Metaliczny wodór zmieni oblicze technologii – dopóki nie wyparuje

W kuźniach XIX wieku nie kuje się stali, nawet tytanu ani stopów pierwiastków ziem rzadkich. We współczesnych kowadłach diamentowych o metalicznym połysku lśniło to, co wciąż nazywamy najbardziej nieuchwytnym gazem...

Wodór w układzie okresowym znajduje się na szczycie pierwszej grupy, do której zaliczają się wyłącznie metale alkaliczne, czyli lit, sód, potas, rubid, cez i frans. Nic dziwnego, że naukowcy od dawna zastanawiali się, czy i on ma metaliczną formę. W 1935 roku Eugene Wigner i Hillard Bell Huntington jako pierwsi zaproponowali warunki, na jakich wodór może stać się metaliczny. W 1996 roku amerykańscy fizycy William Nellis, Arthur Mitchell i Samuel Weir z Lawrence Livermore National Laboratory donieśli, że wodór został przypadkowo wytworzony w stanie metalicznym przy użyciu pistoletu gazowego. W październiku 2016 roku Ranga Diaz i Isaac Silvera ogłosili, że udało im się uzyskać metaliczny wodór pod ciśnieniem 495 GPa (około 5 × 10⁶ atm) i w temperaturze 5,5 K w komorze diamentowej. Jednak eksperyment nie został powtórzony przez autorów i nie został niezależnie potwierdzony. w rezultacie część środowiska naukowego kwestionuje sformułowane wnioski.

Istnieją sugestie, że wodór metaliczny może występować w postaci ciekłej pod wysokim ciśnieniem grawitacyjnym. wewnątrz gigantycznych planet gazowychjak Jowisz i Saturn.

Pod koniec stycznia tego roku grupa prof. Isaac Silveri z Uniwersytetu Harvarda poinformował, że w laboratorium wytworzono metaliczny wodór. Poddali próbkę ciśnieniu 495 GPa w diamentowych „kowadłach”, których cząsteczki tworzą gaz H₂ rozpadł się, a z atomów wodoru powstała metalowa struktura. Zdaniem autorów eksperymentu, uzyskana struktura metastabilnyco oznacza, że ​​pozostaje metaliczny nawet po ustaniu ekstremalnego ciśnienia.

Ponadto, zdaniem naukowców, byłby wodór metaliczny nadprzewodnik wysokotemperaturowy. W 1968 roku Neil Ashcroft, fizyk z Cornell University, przewidział, że faza metaliczna wodoru może być nadprzewodząca, to znaczy przewodzić prąd bez strat ciepła i w temperaturach znacznie powyżej 0°C. Już samo to pozwoliłoby zaoszczędzić jedną trzecią energii elektrycznej traconej obecnie podczas przesyłu i nagrzewania się wszystkich urządzeń elektronicznych.

Pod normalnym ciśnieniem w stanie gazowym, ciekłym i stałym (wodór skrapla się w temperaturze 20 K i krzepnie w temperaturze 14 K) pierwiastek ten nie przewodzi prądu, ponieważ atomy wodoru łączą się w pary molekularne i wymieniają między sobą elektrony. Dlatego nie ma wystarczającej ilości wolnych elektronów, które w metalach tworzą pasmo przewodnictwa i są nośnikami prądu. Dopiero silne sprężanie wodoru w celu zniszczenia wiązań między atomami teoretycznie uwalnia elektrony i czyni wodór przewodnikiem prądu, a nawet nadprzewodnikiem.

Wodór sprasowany w metaliczny kształt pomiędzy diamentami

Przydałaby się także nowa forma wodoru paliwo rakietowe o wyjątkowych osiągach. „Wytworzenie metalicznego wodoru wymaga ogromnej ilości energii” – wyjaśnia profesor. Srebro. „Kiedy wodór przekształca się w gaz molekularny, uwalnia się dużo energii, co czyni go najpotężniejszym silnikiem rakietowym znanym ludzkości”.

Impuls właściwy silnika zasilanego tym paliwem będzie wynosił 1700 sekund. Obecnie powszechnie stosuje się wodór i tlen, a impuls właściwy takich silników wynosi 450 sekund. Według naukowca nowe paliwo umożliwi naszemu statkowi kosmicznemu dotarcie na orbitę jednostopniową rakietą o większym ładunku i umożliwi dotarcie do innych planet.

Z kolei metaliczny nadprzewodnik wodorowy pracujący w temperaturze pokojowej umożliwiłby budowę systemów transportu dużych prędkości wykorzystujących lewitację magnetyczną, zwiększyłby wydajność pojazdów elektrycznych i wydajność wielu urządzeń elektronicznych. Rewolucja nastąpi także na rynku magazynów energii. Ponieważ nadprzewodniki mają zerową rezystancję, możliwe byłoby magazynowanie energii w obwodach elektrycznych, gdzie krążyłaby ona do momentu, aż będzie potrzebna.

Ostrożnie z tym entuzjazmem

Jednak te jasne perspektywy nie są całkowicie jasne, ponieważ naukowcy muszą jeszcze zweryfikować, czy wodór metaliczny jest stabilny w normalnych warunkach ciśnienia i temperatury. Przedstawiciele środowiska naukowego, do których media zwróciły się z prośbą o komentarz, są sceptyczni lub w najlepszym razie powściągliwi. Najczęstszym postulatem jest powtórzenie eksperymentu, bo domniemany sukces jest... tylko sukcesem rzekomym.

W tej chwili niewielki kawałek metalu widać jedynie za wspomnianymi dwoma diamentowymi kowadłami, które służyły do ​​sprężania ciekłego wodoru w temperaturach znacznie poniżej zera. Czy przewidywania prof. Czy Silvera i jego współpracownicy naprawdę będą pracować? Zobaczymy w najbliższej przyszłości, jak eksperymentatorzy zamierzają stopniowo zmniejszać ciśnienie i zwiększać temperaturę próbki, aby się tego dowiedzieć. Robiąc to, mają nadzieję, że wodór po prostu… nie wyparuje.