Хранение, например, водорода очень важно в безуглеродной энергетики, где он может выступать как "аккумулятор" энергии, демпфирующий колебаний генерации (если она солнечная/ветровая) и потребления. А также при длительных космических экспедициях.
Так получилось, что у меня достаточно давно в голове были 2 факта:
- водород утекает даже из герметичных баков, потому что его маленькие атомы просачиваются через кристаллическую решётку металлов.
- утекает он со скоростью аж 1% в день.
Однако, связывание этих двух фактор было скорее когнитивной ошибкой. Дело в том, что водород действительно диффундирует через стенки. Причём скорость этой диффузии прямо пропорциональная парциальному давлению, обратно пропорциональна толщине стенки, сильно нелинейно зависит от температуры (чем выше, тем быстрее, разумеется) и для разных типов металлов отличается на порядки. У палладия сильнее всего, у алюминия слабее всего. (по крайней мере, из тех, по кому есть данные)
Давайте оценим суточные потери на диффузию. Пусть у нас есть длинный цилиндрический бак диаметром 3 метра, с водородом по давлением 100 атм и температурой 300 К, сделанный из низкоуглеродистой стали (бак будет ужасно тяжёлый, но ладно). Тогда толщина стенки должна быть порядка 100 мм по прочности. В этом случае суточные потери на диффузию около 0,00001%, можете проверять мои расчёты.
Хотя, именно для жидкого водорода у меня данных нет, но у него и температуры и давления меньше на порядки ,чем у газообразного, и можно ожидать, что и диффузия, соответственно, намного меньше. Не говоря уже о том, что добавив алюминиевый слой, можно снизить такого рода утечки ещё на порядки. Наконец, добавление двойной стенки с вакуумом между ними - ещё на порядки (впрочем, получается, в этом нет необходимости) Короче, я делаю вывод, что диффузионными утечками для баков можно пренебрегать. (хотя, например, в высоковакуумной технике она важна)
Однако, утечки 1% в сутки для жидкого водорода действительно могут иметь место. Это потери на испарение. Тепло проникает в бак, водород испаряется и давление приходится сбрасывать, т.к. бак на него не рассчитан.
Представим тот же самый бак уже с жидким водородом, но теперь со стенками 3 мм и пусть он находится в атмосфере Земли. Тогда, на каждый погонный метр будет подвод теплоты порядка 18 кВт. А внутри там 490 кг водорода с теплотой парообразования 448 кДж/кг. И тогда потери 1% набегут... за 2 минуты.
Это означает, что для ракет без теплоизоляции на криогенном топливе, к коим относится и революционный Starship (хотя, понятно, что там больше диаметр и более плотные метан-водород), потери на испарение на стартовом столе, вообще говоря, очень велики.
Хорошо, а что в космосе? Понятно, что там только радиационный теплообмен и всё будет завесить от близости Солнца и Земли. Представим, что тот же самый бак освещён Солнцем на орбите Земли. Т.е. около 1 кВт/м.кв. Если поверхность зеркальная и бондовское альбедо равно 0,95, то 1% потерь образуется за час с небольшим, что всё ещё категорически неприемлемо, если мы хотим, например, сохранить топливо в течении месяцев или даже лет для какого-то манёвра. Особенно неприятно, если это будет активный гравитационный манёвр вокруг Солнца, а вы ещё и подлетать к нему решили днём :) Поэтому без теплоизоляции не обойтись. И вопрос, сколько она может весить.
Ну, к счастью, если источник излучения точечный или же, по крайней мере не занимает собой ВСЮ небесную сферу, то от него в космосе можно эффективно экранироваться геометрически. Вы ставите экран (тонкое зеркало, это может быть фольга) между баком и источником. Экранов может быть несколько. Однако, расстояние между ними не должно быть быть мало по сравнению с их размерами.
Если мы добавим тонкий экран с альбедо тоже 0,95 на таком расстоянии, чтобы только 1/10 от излучаемой им энергии в виде ИК попадало на бак, то у нас уже будет потери в 1% за 22 суток, что не плохо. Кстати, это близко к самому большому в мире наземному резервуару для жидкого водорода, принадлежащему NASA. У него потери около 0,03% в сутки при диаметре 20 м. Т.е. тепловой поток через стены должен составлять порядка 33 Вт на м.кв. При перепаде температур 300 К это примерно как 30 см базальтовой ваты. (ну или обычно применяемого в криогенной технике вспученного перлитового песка). Но в реальности, там стоит экранно-вакуумная теплоизоляция, в том числе и на трубопроводах.
ЭВИ - самый эффективный тип изоляции. Ну, в пересчёте на вес он примерно в 1000 раз эффективнее, чем та же базальтовая вата. Кстати, вот тут можно прочитать про методы её расчёта, весьма нетривиальные.