氢检测色带节省时间，挽救生命

氢检测色带节省时间，挽救生命

从“阿波罗”任务到航天飞机项目，美国国家航空航天局（NASA）一直以液态氢作为运载火箭上面级的燃料。其原因很简单：氢能是最有效的推进剂，能够提供比其它燃料更强的推力。但是，液氢燃料的使用需要雄厚的专业技术作为支撑。首先，氢必须在低于-253℃的温度下才能保持液态。因此，在发射期间，液态氢必须与外部热源隔绝，以避免液态氢蒸发。其次，液态氢的使用还面临着泄漏的风险。作为最小和最轻的原子，氢能够从非常微小的裂缝逃逸，而且氢非常易燃，高压泄漏可能会引起爆炸。这使其成为一个危险元素，必须严密监控。氢的泄漏检测是一项重要任务，同时，由于氢气及其火焰无色、无味，其泄漏检测也是一项巨大的挑战。

考虑到这些风险，NASA在每次飞船或航天飞机发射之前的准备工作中，都必须对液氢进行严密监控，因为在航天器发射前，大量的液氢燃料要流经数千米长的管道，从液氢储罐转移到发射台进行燃料加注。在“阿波罗”任务时期，NASA采用“扫帚”方法来检测氢的泄漏。工作人员利用一种类似于扫帚的仪器，像扫地一样，将仪器的顶端放在管道上进行扫描。如果仪器的顶部发生燃烧，就意味着此处有氢气泄漏。后来，在20世纪80年代和20世纪90年代的航天发射任务中，NASA采用紫外线传感器来检测氢的泄露，采用电化学和可燃气体传感器查找非燃烧泄漏点。

这些仪器存在的主要问题是仅能检测到泄漏发生的大致区域。例如，当泄漏发生在大量液氢传导管线交汇、聚集的区域时，仪器很难精确地找到泄漏源，必须花费大量的人力、物力进行查找。为了解决这些问题，NASA希望开发一种能够可视化地准确定位氢气泄漏位置的方法。

2003年，中佛罗里达大学（UFC）所属佛罗里达太阳能中心（FSEC）从NASA获得了一项氢研究项目。肯尼迪航天中心应用物理实验室主任罗伯特·杨奎斯特与该项目的主要研究人员之一阿里·拉伊西博士进行了合作洽谈，并促成了肯尼迪航天中心应用物理实验室、UFC FSEC，以及肯尼迪航天中心高分子科学和技术实验室的合作，共同推进新的气体检测技术的开发工作。

为了更直观、自动化地检测氢泄漏源，阿里·拉伊西博士计划开发一种化学色带，当色带暴露在氢环境中时会产生颜色变化。他带领的研究团队利用日本一项以氧化钯（PdO）和二氧化钛（TiO2）等作为颜料的专利技术。简言之，就是将氧化钯粉末和二氧化钛粉末混合，当氢存在时，粉末的颜色就会产生变化。UFC FSEC的化学家纳希德·穆哈杰瑞认为，这种配方存在的问题是颜色变化缓慢且效果不明显，需要调整其化学成分，以加快其颜色变化速度，并使肉眼能够辨认。事实上，这种化学成分的调整大多数是针对二氧化钛混合物进行的，因为二氧化钛实际上起着支撑作用，而氧化钯和氢之间的化学反应是导致变色的原因。支撑物的颜色是非常重要的，因为其必须与变色反应的颜色形成对比，以使得变色反应清晰可见。此外，不同的支撑物种类会对化学反应过程产生不同的作用，如可能会加快反应过程，也可能会减缓反应过程。因此，研究人员必须开发一种可与变色反应形成鲜明色彩对比、能够加速化学反应过程、可应用于硅基带上的材料配方。

约两年后，该材料配方研制工作最终完成。基于该配方，肯尼迪航天中心进一步通过研究，优化了其性能，拓展了其应用范围。例如，在应用于航天飞机发射时，其需要具有更好的低温稳定性、阻燃性和耐候性。为此，罗伯逊和NASA研究人员亚尼内·凯普顿、玛莎·威廉斯、拉内特拉·塔特和特伦特·史密斯等人共同设计了一种由聚四氟乙烯和其它基体代替硅制成的胶囊密封材料。随后，该新型色带材料在交叉转换线路、燃料电池，以及NASA其它应用领域成功进行了测试。

该新型色带技术首次在NASA STS-118任务中进行了应用，并获得了圆满成功，验证了其高可靠性。当时，在该任务执行过程中，在发射台上检测到了氢泄漏事故。传统的扫描传感器技术仅检测到该区域存在氢泄漏，而检测带技术使工作人员精确地确定了泄漏位置。之后，该新型色带技术被应用到NASA“奋进”号航天飞机最后一次发射暨航天飞机项目的倒数第二次任务之前的每次发射任务中。

通过开发氢检测色带，NASA 和UCF共同申请并获得了多项专利授权。2013年，这两家机构同意将该技术进行集成并商业化。同年，纳希德·穆哈杰瑞在佛罗里达州罗克利奇市创建了Hysense技术有限责任公司，生产并销售采用该新型色带配方的产品——Intellipigment（智能颜料）。

氢是工业上应用最为广泛的气体之一。例如，炼油厂利用氢气从原油中提炼汽油和柴油，工厂将氢气与氩气混合用来焊接不锈钢，化工厂使用氢气作为生产氨气和甲醇的原材料。

与NASA一样，为了保障生命和财产安全，每个与高活性可燃气体打交道的行业，都非常重视对气体泄漏的检测。但传统的检测技术手段存在缺陷。例如，固定式传感器受所在位置的限制，无法全面检测所有易发生泄漏的地方，而手持检测器需要技术人员进行巡视，并仔细监听泄漏报警音，难以在交叉转换管路等管道、阀门密集的区域准确检测出泄漏点。而这正是Intellipigment检测色带优势所在之处。技术人员仅需将该检测色带分别缠绕在各个管道或阀门上，就可根据检测色带颜色的变化（如由褐色变成黑色）方便地确定泄漏点。该监测色带的检测速率与泄漏气体的氢气含量相关，如果是纯氢气，检测时间仅需10s，即使泄漏气体中仅含有1%的氢气，其检测时间也可保持在3min之内，性能优异。

尽管与之前的气体检测技术不同，且进入市场的时间较短，但该产品已在多家企业获得应用，其中很多企业已经是第二轮订购。

2014年，肯尼迪航天中心、HySense公司及UCF获得了美国《研究与发展》（R&D）杂志授予的R&D 100奖。同年，HySense公司获得了CAT5创新竞赛一等奖，奖金金额达10万美元。该奖项用于鼓励和支持那些致力于开发“强大的、颠覆性”新技术的初创企业。

该监测色带产品显示出了巨大的应用潜力。随着NASA和几家汽车制造企业对氢能和氢燃料电池汽车应用研究的日益关注，该产品引起了新能源汽车领域的兴趣。NASA对“氢能高速公路项目”提供了技术支持。该项目由美国能源部牵头，致力于加氢站的建设，推动氢能源汽车的商业化发展。

肯尼迪航天中心首席聚合物科学家玛莎·威廉斯说：“在为NASA解决问题的同时，我们也在寻找相关技术转移应用的途径。与私营企业的合作关系，以及技术的转移和商业化在NASA整体任务中发挥着重要的作用。这种氢泄漏检测色带就是一个典型案例。”

（唐 甜）

Hydrogen Detection Tape Saves Time and Lives