氫檢測色帶節省時間，挽救生命

氫檢測色帶節省時間，挽救生命

從“阿波羅”任務到航天飛機項目，美國國家航空航天局（NASA）一直以液態氫作為運載火箭上面級的燃料。其原因很簡單：氫能是最有效的推進劑，能夠提供比其它燃料更強的推力。但是，液氫燃料的使用需要雄厚的專業技術作為支撐。首先，氫必須在低于-253℃的溫度下才能保持液態。因此，在發射期間，液態氫必須與外部熱源隔絕，以避免液態氫蒸發。其次，液態氫的使用還面臨著泄漏的風險。作為最小和最輕的原子，氫能夠從非常微小的裂縫逃逸，而且氫非常易燃，高壓泄漏可能會引起爆炸。這使其成為一個危險元素，必須嚴密監控。氫的泄漏檢測是一項重要任務，同時，由于氫氣及其火焰無色、無味，其泄漏檢測也是一項巨大的挑戰。

考慮到這些風險，NASA在每次飛船或航天飛機發射之前的準備工作中，都必須對液氫進行嚴密監控，因為在航天器發射前，大量的液氫燃料要流經數千米長的管道，從液氫儲罐轉移到發射臺進行燃料加注。在“阿波羅”任務時期，NASA采用“掃帚”方法來檢測氫的泄漏。工作人員利用一種類似于掃帚的儀器，像掃地一樣，將儀器的頂端放在管道上進行掃描。如果儀器的頂部發生燃燒，就意味著此處有氫氣泄漏。后來，在20世紀80年代和20世紀90年代的航天發射任務中，NASA采用紫外線傳感器來檢測氫的泄露，采用電化學和可燃氣體傳感器查找非燃燒泄漏點。

這些儀器存在的主要問題是僅能檢測到泄漏發生的大致區域。例如，當泄漏發生在大量液氫傳導管線交匯、聚集的區域時，儀器很難精確地找到泄漏源，必須花費大量的人力、物力進行查找。為了解決這些問題，NASA希望開發一種能夠可視化地準確定位氫氣泄漏位置的方法。

2003年，中佛羅里達大學（UFC）所屬佛羅里達太陽能中心（FSEC）從NASA獲得了一項氫研究項目。肯尼迪航天中心應用物理實驗室主任羅伯特·楊奎斯特與該項目的主要研究人員之一阿里·拉伊西博士進行了合作洽談，并促成了肯尼迪航天中心應用物理實驗室、UFC FSEC，以及肯尼迪航天中心高分子科學和技術實驗室的合作，共同推進新的氣體檢測技術的開發工作。

為了更直觀、自動化地檢測氫泄漏源，阿里·拉伊西博士計劃開發一種化學色帶，當色帶暴露在氫環境中時會產生顏色變化。他帶領的研究團隊利用日本一項以氧化鈀（PdO）和二氧化鈦（TiO2）等作為顏料的專利技術。簡言之，就是將氧化鈀粉末和二氧化鈦粉末混合，當氫存在時，粉末的顏色就會產生變化。UFC FSEC的化學家納希德·穆哈杰瑞認為，這種配方存在的問題是顏色變化緩慢且效果不明顯，需要調整其化學成分，以加快其顏色變化速度，并使肉眼能夠辨認。事實上，這種化學成分的調整大多數是針對二氧化鈦混合物進行的，因為二氧化鈦實際上起著支撐作用，而氧化鈀和氫之間的化學反應是導致變色的原因。支撐物的顏色是非常重要的，因為其必須與變色反應的顏色形成對比，以使得變色反應清晰可見。此外，不同的支撐物種類會對化學反應過程產生不同的作用，如可能會加快反應過程，也可能會減緩反應過程。因此，研究人員必須開發一種可與變色反應形成鮮明色彩對比、能夠加速化學反應過程、可應用于硅基帶上的材料配方。

約兩年后，該材料配方研制工作最終完成。基于該配方，肯尼迪航天中心進一步通過研究，優化了其性能，拓展了其應用范圍。例如，在應用于航天飛機發射時，其需要具有更好的低溫穩定性、阻燃性和耐候性。為此，羅伯遜和NASA研究人員亞尼內·凱普頓、瑪莎·威廉斯、拉內特拉·塔特和特倫特·史密斯等人共同設計了一種由聚四氟乙烯和其它基體代替硅制成的膠囊密封材料。隨后，該新型色帶材料在交叉轉換線路、燃料電池，以及NASA其它應用領域成功進行了測試。

該新型色帶技術首次在NASA STS-118任務中進行了應用，并獲得了圓滿成功，驗證了其高可靠性。當時，在該任務執行過程中，在發射臺上檢測到了氫泄漏事故。傳統的掃描傳感器技術僅檢測到該區域存在氫泄漏，而檢測帶技術使工作人員精確地確定了泄漏位置。之后，該新型色帶技術被應用到NASA“奮進”號航天飛機最后一次發射暨航天飛機項目的倒數第二次任務之前的每次發射任務中。

通過開發氫檢測色帶，NASA 和UCF共同申請并獲得了多項專利授權。2013年，這兩家機構同意將該技術進行集成并商業化。同年，納希德·穆哈杰瑞在佛羅里達州羅克利奇市創建了Hysense技術有限責任公司，生產并銷售采用該新型色帶配方的產品——Intellipigment（智能顏料）。

氫是工業上應用最為廣泛的氣體之一。例如，煉油廠利用氫氣從原油中提煉汽油和柴油，工廠將氫氣與氬氣混合用來焊接不銹鋼，化工廠使用氫氣作為生產氨氣和甲醇的原材料。

與NASA一樣，為了保障生命和財產安全，每個與高活性可燃氣體打交道的行業，都非常重視對氣體泄漏的檢測。但傳統的檢測技術手段存在缺陷。例如，固定式傳感器受所在位置的限制，無法全面檢測所有易發生泄漏的地方，而手持檢測器需要技術人員進行巡視，并仔細監聽泄漏報警音，難以在交叉轉換管路等管道、閥門密集的區域準確檢測出泄漏點。而這正是Intellipigment檢測色帶優勢所在之處。技術人員僅需將該檢測色帶分別纏繞在各個管道或閥門上，就可根據檢測色帶顏色的變化（如由褐色變成黑色）方便地確定泄漏點。該監測色帶的檢測速率與泄漏氣體的氫氣含量相關，如果是純氫氣，檢測時間僅需10s，即使泄漏氣體中僅含有1%的氫氣，其檢測時間也可保持在3min之內，性能優異。

盡管與之前的氣體檢測技術不同，且進入市場的時間較短，但該產品已在多家企業獲得應用，其中很多企業已經是第二輪訂購。

2014年，肯尼迪航天中心、HySense公司及UCF獲得了美國《研究與發展》（R&D）雜志授予的R&D 100獎。同年，HySense公司獲得了CAT5創新競賽一等獎，獎金金額達10萬美元。該獎項用于鼓勵和支持那些致力于開發“強大的、顛覆性”新技術的初創企業。

該監測色帶產品顯示出了巨大的應用潛力。隨著NASA和幾家汽車制造企業對氫能和氫燃料電池汽車應用研究的日益關注，該產品引起了新能源汽車領域的興趣。NASA對“氫能高速公路項目”提供了技術支持。該項目由美國能源部牽頭，致力于加氫站的建設，推動氫能源汽車的商業化發展。

肯尼迪航天中心首席聚合物科學家瑪莎·威廉斯說：“在為NASA解決問題的同時，我們也在尋找相關技術轉移應用的途徑。與私營企業的合作關系，以及技術的轉移和商業化在NASA整體任務中發揮著重要的作用。這種氫泄漏檢測色帶就是一個典型案例。”

（唐 甜）

Hydrogen Detection Tape Saves Time and Lives