Metaalwaterstof zal het aanzien van technologie veranderen - totdat het verdampt

Noch staal, noch zelfs titanium of zeldzame aardlegeringen worden gesmeed in de smederijen van de XNUMXe eeuw. In de huidige diamanten aambeelden met een metaalachtige glans scheen wat we nog steeds kennen als de meest ongrijpbare gassen...

Waterstof staat in het periodiek systeem bovenaan de eerste groep, die alleen de alkalimetalen omvat, dat wil zeggen lithium, natrium, kalium, rubidium, cesium en francium. Het is niet verrassend dat wetenschappers zich lang hebben afgevraagd of het ook zijn eigen metaalachtige vorm heeft. In 1935 waren Eugene Wigner en Hillard Bell Huntington de eersten die voorwaarden voorstelden waaronder waterstof kan metaalachtig worden. In 1996 meldden de Amerikaanse natuurkundigen William Nellis, Arthur Mitchell en Samuel Weir van het Lawrence Livermore National Laboratory dat waterstof per ongeluk in een metallische toestand werd geproduceerd met behulp van een gaspistool. In oktober 2016 maakten Ranga Díaz en Isaac Silvera bekend dat ze erin waren geslaagd metallische waterstof te produceren bij een druk van 495 GPa (ongeveer 5×10⁶ atm) en bij een temperatuur van 5,5 K in een diamantkamer. Het experiment werd echter niet herhaald door de auteurs en werd niet onafhankelijk bevestigd. Als gevolg hiervan trekt een deel van de wetenschappelijke gemeenschap de geformuleerde conclusies in twijfel.

Er zijn suggesties dat metallische waterstof in vloeibare vorm onder hoge zwaartekrachtdruk kan voorkomen. in gigantische gasplanetenbijvoorbeeld Jupiter en Saturnus.

Eind januari van dit jaar heeft een groep van prof. Isaac Silveri van de Harvard Universiteit meldde dat er in het laboratorium metallische waterstof was geproduceerd. Ze onderwierpen het monster aan een druk van 495 GPa in diamanten "aambeelden", waarvan de moleculen H-gas vormen₂ viel uiteen en er werd een metalen structuur gevormd uit waterstofatomen. Volgens de auteurs van het experiment, de resulterende structuur metastabielwat betekent dat het metaalachtig blijft, zelfs nadat de extreme druk is gestopt.

Bovendien zou er volgens wetenschappers metallische waterstof zijn supergeleider op hoge temperatuur. In 1968 voorspelde Neil Ashcroft, een natuurkundige aan de Cornell University, dat de metallische fase van waterstof supergeleidend zou kunnen zijn, dat wil zeggen dat hij elektriciteit zou kunnen geleiden zonder enig warmteverlies en bij temperaturen ruim boven de 0°C. Dit alleen al zou een derde van de elektriciteit besparen die momenteel verloren gaat bij de transmissie en als gevolg van de verwarming van alle elektronische apparaten.

Bij normale druk in de gasvormige, vloeibare en vaste toestand (waterstof condenseert bij 20 K en stolt bij 14 K), geleidt dit element geen elektriciteit omdat de waterstofatomen zich combineren tot moleculaire paren en hun elektronen uitwisselen. Daarom zijn er niet genoeg vrije elektronen, die de geleidingsband in metalen vormen en stroomdragers zijn. Alleen sterke compressie van waterstof om de bindingen tussen atomen te verbreken maakt het theoretisch mogelijk om elektronen vrij te laten en van waterstof een geleider van elektriciteit en zelfs een supergeleider te maken.

Waterstof samengeperst in een metaalachtige vorm tussen diamanten

De nieuwe vorm van waterstof kan ook dienen raketbrandstof met uitzonderlijke prestaties. “Het produceren van metallisch waterstof vergt enorm veel energie”, legt de professor uit. Zilver. "Wanneer deze vorm van waterstof wordt omgezet in een moleculair gas, komt er veel energie vrij, waardoor het de krachtigste raketmotor is die de mensheid kent."

De specifieke impuls van een motor die op deze brandstof draait, bedraagt ​​1700 seconden. Momenteel worden waterstof en zuurstof vaak gebruikt en de specifieke impuls van dergelijke motoren is 450 seconden. Volgens de wetenschapper zal de nieuwe brandstof ons ruimtevaartuig in staat stellen om met een eentrapsraket met een grotere lading in een baan om de aarde te komen en andere planeten te bereiken.

Een metallische waterstofsupergeleider die bij kamertemperatuur werkt, zou op zijn beurt de constructie mogelijk maken van hogesnelheidstransportsystemen met behulp van magnetische levitatie, en zou de efficiëntie van elektrische voertuigen en de efficiëntie van veel elektronische apparaten verhogen. Er zal ook een revolutie plaatsvinden op de markt voor energieopslag. Omdat supergeleiders geen weerstand hebben, zou het mogelijk zijn energie op te slaan in elektrische circuits waar deze circuleert totdat deze nodig is.

Wees voorzichtig met dit enthousiasme

Deze mooie vooruitzichten zijn echter niet helemaal duidelijk, omdat wetenschappers nog moeten verifiëren dat metallische waterstof stabiel is onder normale omstandigheden van druk en temperatuur. Vertegenwoordigers van de wetenschappelijke gemeenschap, die door de media zijn benaderd voor commentaar, zijn sceptisch of op zijn best gereserveerd. Het meest gebruikelijke uitgangspunt is om het experiment te herhalen, omdat een vermeend succes... gewoon een vermeend succes is.

Op dit punt is alleen een klein stukje metaal te zien achter de eerder genoemde twee diamanten aambeelden, die werden gebruikt om vloeibare waterstof te comprimeren bij temperaturen ver onder het vriespunt. Is de voorspelling van prof. Zullen Silvera en zijn collega's echt werken? Laten we in de nabije toekomst eens kijken hoe de onderzoekers van plan zijn de druk geleidelijk te verlagen en de temperatuur van het monster te verhogen om daarachter te komen. En tegelijkertijd hopen ze dat de waterstof simpelweg... niet zal verdampen.