Nauka

Czy metaliczny wodór pozwoli nam podbić kosmos?

To prawdziwy przełom: udało się uzyskać wodór w postaci metalicznej. Osiągnięcie naukowców z Harvardu, ogłoszone na łamach „Science”, wielu okrzyknęło rewolucją, choć padały też głosy nawołujące do wstrzemięźliwości. Tak czy inaczej – informacja wzbudziła wielkie emocje. Ta ekscytacja staje się zrozumiała, gdy uświadomimy sobie, jakie mogą być praktyczne konsekwencje tego odkrycia.

Autor: Marcin Bójko

Pod koniec stycznia w czasopiśmie naukowym „Science” ukazał się artykuł, w którym zespół naukowców z Uniwersytetu Harvarda chwali się uzyskaniem metalicznego wodoru. Mieli oni ściskać próbkę wodoru między dwoma diamentowymi kowadłami do momentu, w którym przestała przepuszczać światło, a zaczęła je odbijać jak lustro, co jest cechą charakterystyczną metali. Artykuł kończy się konkluzją: „Tak więc po raz pierwszy uzyskano w laboratorium wodór w postaci metalicznej”.

Istnienie takiej formy wodoru postulowano od dawna. W 1935 roku Eugene Wigner i Hillard Bell Huntington starali się przewidzieć warunki powstawania i właściwości wodoru w postaci metalicznej. Przypomnijmy, że wodór w tablicy Mendelejewa znajduje się w kolumnie metali alkaicznych, ale jako jedyny metalem nie jest, a przynajmniej nie na Ziemi. Naukowcy przewidywali, że przy ogromnych ciśnieniach cząsteczki wodoru H2 mogą się rozpadać i tworzyć strukturę krystaliczną jak metale z uwspólnionymi elektronami, dzięki czemu metale tak dobrze przewodzą prąd. Obliczenia pokazały, że wodór może szczególnie dobrze prąd przewodzić, to znaczy jest nadprzewodnikiem – metalem, w którym nie istnieje opór elektryczny. Co więcej wszystko wskazuje na to, że metaliczny wodór może być nadprzewodnikiem w bardzo wysokich jak na nadprzewodniki temperaturach, dochodzących do 300 kelwinów, a mówiąc po ludzku – w temperaturze pokojowej.

Poszlaki mówiące o istnieniu wodoru w metalicznej postaci mamy w kosmosie, i to wcale nie dalekim. Jowisz i Saturn, dwa gazowe giganty w naszym Układzie Słonecznym, składają się głównie z wodoru. Obie planety mają bardzo silne pole magnetyczne i naukowcy zastanawiając się nad mechanizmem jego powstawania, postawili właśnie na metaliczny wodór. We wnętrzu obu planet panują tak ogromne ciśnienia, że wodór może mieć postać metalu i pole magnetyczne planety ma powstawać dzięki temu, że w wodorze wiruje prąd elektryczny.

1280px-gas_giant_interiors_pl
Dzięki bardzo wysokim ciśnieniom wodór we wnętrzach Jowisza i Saturna przyjmuje postać metaliczną (ilustracja: Wikimedia Commons).

 

Wigner i Huntington przewidywali, że metaliczna postać wodoru pojawia się przy ciśnieniu rzędu 250 tys. atmosfer, jednak pomylili się okrutnie – naukowcy z Harvardu uzyskali swoje wyniki dopiero przy ciśnieniu rzędu 5 milionów atmosfer, czyli 20 razy większemu. Dla porównania, we wnętrzu naszej planety panuje ciśnienie rzędu 3,6 miliona atmosfer.

Deklaracje naukowców Harvardu można by włożyć na półkę z ciekawymi rekordami Guinnessa, skoro metaliczny wodór istnieje tylko w laboratorium przy iście kosmicznym ciśnieniu. Ale jest jeden ważny element – przewidują oni, że metaliczny wodór może być metastabilny. To znaczy, że gdy już powstanie w ogromnym ciśnieniu może pozostać w postaci metalicznej nawet po uwolnieniu go spod tegoż ciśnienia. Trochę jak diament, który jest formą krystalicznego węgla kształtującą się pod ogromnym ciśnieniem, ale później może istnieć nawet w próżni. Dlatego uzyskanie metalicznego wodoru czasem zwane jest Świętym Graalem fizyki wysokich ciśnień. I dlatego też dwa dni po ukazaniu się artykułu w „Science”, na internetowych stronach „Nature” pojawiły się artykuły podważające wnioski naukowców z Harvardu.

dias1hr
Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda uzyskali metaliczny wodór, ściskając próbkę wodoru między dwoma diamentowymi kowadłami.

Dlaczego artykuł w „Science” tak rozgrzewa naukowców na świecie, że natychmiast zaczynają polemiki i dyskusję wyników? Chodzi o potencjalne zastosowania metalicznego wodoru. Załóżmy, że już umiemy produkować metaliczny wodór i co więcej, jest on metastabilny w temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Patrząc na tablicę Mendelejewa, możemy od razu zapomnieć o budowaniu okrętów czy samolotów z tego nowego metalu, niezależnie od tego, czy w temperaturze pokojowej będzie stały, czy płynny (jak np. rtęć). Lit, sód, potas, rubid, cez i frans, czyli metale alkaiczne, są bardzo reaktywne i trudno oczekiwać, że akurat wodór będzie zachowywał się inaczej. Być może dlatego, nawet jeśli jest metastabilny, nie spotykamy go w przyrodzie, bo natychmiast zdążył z czymś zareagować, podobnie jak sód czy potas, które w obecności wody zaczynają brykać – chyba każdy pamięta to z lekcji chemii. Ponadto według obliczeń naukowców z Harvardu metaliczny wodór ma gęstość podobną do ciężaru właściwego wody, czyli w okolicach jednej tony na metr sześcienny. Z pewnością nie jest lżejszy od powietrza, a i z pływaniem wcale nie byłoby za wesoło. To oczywiście dlatego, że atomy wodoru w postaci metalicznej są znacznie bardziej upakowane.

 

Paliwo statków kosmicznych

Jednak zastosowanie metalicznego wodoru to nie metalurgia. O ile wodór jest całkiem niezłym nośnikiem energii, o tyle metaliczny wodór bije na głowę większość znanych nam substancji, przynajmniej tych, które uwalniają energię na drodze reakcji chemicznych. Kilogram wodoru jest w stanie uwolnić 50 razy więcej energii niż kilogram trotylu i 20 razy więcej niż kilogram mieszaniny wodoru i tlenu używanych w rakietach kosmicznych. A to oznacza dramatyczne powiększenie zasięgu statków kosmicznych. Co więcej, wodór metaliczny byłby paliwem jednoskładnikowym – energia uwalniałaby się bowiem nie na skutek łączenia wodoru z tlenem, a łączenia wodoru atomowego w cząsteczki H2 – czyli formę najczęściej spotykaną we Wszechświecie.

Kilogram wodoru jest w stanie uwolnić 50 razy więcej energii niż kilogram trotylu

Warto dodać, że w lotach kosmicznych wysoka prędkość jest atutem kluczowym. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna pokonuje raz na dobę dystans między Ziemią a Księżycem (w obie strony), ale nigdy nie będzie w stanie tam dolecieć, ze względu na zbyt małą prędkość, która nie pozwala wyrwać się jej z pola grawitacyjnego Ziemi. Dwadzieścia razy wydajniejsze paliwo z grubsza oznacza możliwość uzyskania 4,5 raza większej prędkości, a to oznacza, że statek kosmiczny porównywalny masą z pojazdami Apollo, ale napędzany wodorem byłby w stanie dolecieć z Ziemi do Marsa i z powrotem.

Zaznaczyć należy, że metaliczny wodór nie jest źródłem energii, a nośnikiem. By go wyprodukować, trzeba najpierw „wtłoczyć” energię, którą później będzie uwalniał, bo naturalnych źródeł metalicznego wodoru na Ziemi nie mamy, a kopalni na Saturnie nie da się założyć. Przynajmniej na razie.

 

Lżejszy bak lub większy zasięg samochodów

Według przewidywań naukowców z Harvardu metastabilna postać metaliczna przechodzi w stan klasyczny atomowy, a później rekombinuje do wodoru H2 po zwykłym podgrzaniu, a to oznacza, że być może da się wykorzystać metaliczny wodór również jako nośnik energii w mniej kosmicznych pojazdach, na przykład samochodach. Dwadzieścia razy więcej energii to albo dwadzieścia razy większy zasięg, albo dwadzieścia razy lżejszy bak.

 

Idealny nadprzewodnik dla kolei magnetycznych

Metaliczny wodór może również pomóc w inny sposób zrewolucjonizować transport za sprawą drugiej jego cechy – nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Dzisiejsze komercyjnie wykorzystywane przewodniki pracują w temperaturze kilku kelwinów (czyli w okolicach -270 st. C) i wymagają drogiego chłodziwa w postaci ciekłego helu. To dosyć poważnie utrudnia szereg zastosowań, w tym związanych z transportem. A nadprzewodzące elektromagnesy doskonale nadawałyby się do budowy kolei magnetycznych, w których wagony poruszają się na poduszkach magnetycznych praktycznie bez tarcia.

Japoński pociąg na poduszce magnetycznej Shinkansen może osiągnąć prędkość 603 km/h (fot. Saruno Hirobano).
Japoński pociąg na poduszce magnetycznej Shinkansen może osiągnąć prędkość 603 km/h (fot. Saruno Hirobano).

 

Tańsze komputery kwantowe

Oczywiście producenci urządzeń do rezonansu magnetycznego i budowniczowie linii przesyłowych prądu byliby szczęśliwi, gdyby udało się stworzyć nadprzewodnik działający w okolicach normalnych temperatur 0 do 30 stopni Celsjusza. Ale warto też dodać jeszcze jedno zastosowanie nadprzewodników, czyli komputery kwantowe. W obecnie sprzedawanych konstrukcjach (tak, można już kupić komputer kwantowy i nie, nie „chodzą” na nim gry) procesory kwantowe zbudowane są w oparciu o nadprzewodniki. Kwantowym zjawiskiem wykorzystywanym w tychże procesorach jest fakt, że prąd w nadprzewodniku może płynąć w dwie strony naraz (tak jak kot Schrödingera może być jednocześnie żywy i martwy). Eliminacja chłodziarki opartej o ciekły hel pozwoliłaby z marszu obniżyć cenę takiego komputera.

 

Zimna fuzja termojądrowa

Kolejnym zastosowaniem metalicznego wodoru, o którym się spekuluje, jest zimna fuzja termojądrowa. Znowu mamy na to pewne poszlaki – Jowisz wypromieniowuje bowiem więcej energii niż dostaje od Słońca, czyli coś go nagrzewa we wnętrzu. Naukowcy spekulują, że może to być fuzja termojądrowa metalicznego wodoru we wnętrzu planety, na tyle powolna i słaba, że tylko podgrzewa Jowisza, a nie rozpala go, jak jest to w przypadku Słońca. Metaliczny wodór mógłby być paliwem do reaktorów nowego typu, w których uzyskiwano by energię na drodze fuzji termojądrowej, ale bez konieczności ściskania gazu w ogromnym polu elektromagnetycznym, jak ma to miejsce w reaktorach zwanych tokamakami.

Nie bez znaczenia jest fakt, że wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie i na Ziemi. Naukowcy z Harvardu spekulują, że metaliczny wodór będzie tani i stosunkowo łatwy w produkcji, a jeśli rzeczywiście tak się stanie, to czeka nas kilka ciekawych rewolucji.

Udostępnij ten artykuł

Podobne tematy

Nauka

Przeczytaj w następnej kolejności