Modular ammonia-based hydrogen propulsion for drones and ground vehicles

Abstract

Hydrogen logistics remain a bottleneck for sustainable mobility, particularly in off-grid applications where compressed hydrogen and batteries face limits in energy density and infrastructure. This study proposes the first modular ammonia-to-hydrogen propulsion unit engineered for UAVs and ground vehicles. The compact system integrates catalytic cracking of liquid NH3 at 650-750 degrees C (Ru/SiO2for UAVs, Ni/Al2O3 for vehicles), hydrogen purification via Pd/Ag or ceramic membranes, and power conversion through either PEM fuel cells or hydrogen-adapted internal combustion engines. A cartridge-based modular design enables easy replacement of catalysts and membranes, direct adaptation to platform needs, and scalable performance. Modeling indicates that a 200 kg UAV can achieve ranges up to 150 km with 1.2-1.5 kg NH3 per 100 km. The novelty lies not in the individual processes, but in their first integration into a deployable system architecture optimized for mobility. Coupled with nuclear-sourced ammonia production, this approach outlines a fossil-free pathway that combines high energy density with improved logistics and lifecycle sustainability.

Vodíková logistika zůstává úzkým hrdlem udržitelné mobility, zejména v aplikacích mimo síť, kde stlačený vodík a baterie čelí limitům v hustotě energie a infrastruktuře. Tato studie navrhuje první modulární pohonnou jednotku pro přeměnu amoniaku na vodík navrženou pro bezpilotní letouny a pozemní vozidla. Kompaktní systém integruje katalytické krakování kapalného NH3 při 650–750 °C (Ru/SiO2 pro bezpilotní letouny, Ni/Al2O3 pro vozidla), čištění vodíku pomocí Pd/Ag nebo keramických membrán a přeměnu energie buď pomocí palivových článků PEM, nebo spalovacích motorů adaptovaných na vodík. Modulární konstrukce založená na patronách umožňuje snadnou výměnu katalyzátorů a membrán, přímé přizpůsobení potřebám platformy a škálovatelný výkon. Modelování ukazuje, že bezpilotní letoun o hmotnosti 200 kg může dosáhnout doletu až 150 km s 1,2–1,5 kg NH3 na 100 km. Novost nespočívá v jednotlivých procesech, ale v jejich první integraci do architektury nasaditelného systému optimalizované pro mobilitu. Spolu s výrobou amoniaku z jaderných zdrojů tento přístup představuje cestu bez fosilních paliv, která kombinuje vysokou energetickou hustotu se zlepšenou logistikou a udržitelností životního cyklu.