Metaliczny wodór zmieni oblicze techniki - o ile nie wyparuje

Metaliczny wodór zmieni oblicze techniki - o ile nie wyparuje
W kuźniach XXI wieku wykuwa się nie stal, ani nawet nie tytan czy stopy pierwiastków ziem rzadkich. We współczesnych diamentowych kowadłach metalicznym połyskiem zajaśniało coś, co do tej pory znaliśmy jako najbardziej ulotny z gazów…

Wodór w tablicy Mendelejewa znajduje się na szczycie grupy pierwszej, która zawiera same metale alkaliczne, a więc lit, sód, potas, rubid, cez i frans. Nic dziwnego, że naukowcy od dawna się zastanawiali, czy on także nie ma swojej metalicznej postaci. W 1935 r. Eugene Wigner i Hillard Bell Huntington jako pierwsi zaproponowali warunki, w których wodór mógłby przejść w stan metaliczny. W 1996 r. amerykańscy fizycy William Nellis, Arthur Mitchell i Samuel Weir z Lawrence Livermore National Laboratory poinformowali o przypadkowym uzyskaniu wodoru w stanie metalicznym za pomocą działa gazowego. W październiku 2016 r. Ranga Dias i Isaac Silvera ogłosili, że udało im się uzyskać metaliczny wodór pod ciśnieniem 495 GPa (ok. 5×106 atm) i w temperaturze 5,5 K w komorze diamentowej. Doświadczenie nie zostało jednak przez autorów powtórzone, ani też niezależnie potwierdzone, przez co część środowiska naukowego podaje w wątpliwość sformułowane wnioski.

Prof. Isaac Silvera
Prof. Isaac Silvera

Przewijają się spekulacje, że metaliczny wodór w formie ciekłej pod dużym ciśnieniem grawitacyjnym mógłby znajdować się we wnętrzach olbrzymich planet gazowych, takich jak Jowisz czy Saturn.

Pod koniec stycznia tego roku grupa prof. Isaaca Silvery z Uniwersytetu Harvarda ogłosiła, że udało się uzyskać w laboratorium metaliczny wodór. Poddali próbkę ciśnieniu 495 GPa w diamentowych "kowadłach", których cząsteczki formy gazowej H2 rozpadły się, a z atomów wodoru ukształtowała się struktura metaliczna. Według autorów eksperymentu, powstała struktura jest metastabilna, co oznacza, że pozostaje metalem nawet po ustaniu działania ogromnego ciśnienia.

W dodatku, wg uczonych, metaliczny wodór miałby być nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym. W 1968 r. Neil Ashcroft - fizyk z Uniwersytetu Cornella - przewidywał, że faza metaliczna wodoru może być nadprzewodząca, czyli będzie przewodzić prąd bez żadnych strat cieplnych, i to w temperaturze grubo powyżej 0°C. Już samo to pozwoliłoby oszczędzić jedną trzecią energii elektrycznej, którą dziś tracimy przy jej przesyłaniu oraz wskutek nagrzewania się wszelkich urządzeń elektronicznych.

Pod normalnym ciśnieniem w stanie gazowym, a także ciekłym i stałym (wodór skrapla się w temperaturze 20 K, a krzepnie w temperaturze 14 K), pierwiastek ten nie przewodzi prądu, bo atomy wodoru łączą się w cząsteczkowe pary i wymieniają swoimi elektronami. Brakuje więc swobodnych elektronów, które w metalach tworzą pasmo przewodzenia i są nośnikami prądu. Dopiero silne sprężenie wodoru, aby wiązania między atomami uległy destrukcji, teoretycznie pozwala uwolnić elektrony i uczynić z wodoru przewodnik elektryczności, a nawet nadprzewodnik.

Wodór ściśnięty do postaci metalicznej pomiędzy diamentami
Wodór ściśnięty do postaci metalicznej pomiędzy diamentami

Nowa postać wodoru mogłaby również służyć jako paliwo rakietowe o wyjątkowej wydajności. "Potrzeba ogromnej ilości energii do wytworzenia wodoru metalicznego", wyjaśnia prof. Silvera. "Podczas konwersji tej postaci wodoru do cząsteczkowej formy gazowej wydziela się mnóstwo energii, co sprawia, że substancja ta byłaby najpotężniejszym źródłem napędu rakietowego, jaki zna ludzkość."

Impuls właściwy silnika napędzanego tym paliwem wynosiłby 1700 sekund. Obecnie powszechnie używa się wodoru i tlenu, a impuls właściwy takich silników to 450 sekund. Zdaniem naukowca, nowe paliwo pozwoliłoby naszym statkom kosmicznym osiągać orbitę za pomocą rakiety jednostopniowej z większym ładunkiem i umożliwić dotarcie do innych planet.

Z kolei nadprzewodnik z metalicznego wodoru działający w temperaturze pokojowej pozwoliłby na budowę szybkich systemów transportu wykorzystujących lewitację magnetyczną, zwiększyłby efektywność samochodów elektrycznych i wydajność wielu urządzeń elektronicznych. Doszłoby też do rewolucji na rynku przechowywania energii. Jako że nadprzewodniki mają zerową oporność, możliwe byłoby przechowywanie energii w obwodach elektrycznych, w których krążyłaby ona do czasu, aż byłaby potrzebna.

 

Ostrożnie z tym entuzjazmem

Te wspaniałe perspektywy są jednak nie do końca pewne, bo uczeni nie sprawdzili jeszcze, czy metal wodorowy jest stabilny w zwyczajnych warunkach ciśnienia i temperatury. Proszeni przez media o komentarze przedstawiciele środowiska naukowego wypowiadają się sceptycznie lub w najlepszym razie powściągliwie. Najczęściej przewija się postulat powtórzenia eksperymentu, bo jeden rzekomy sukces jest… tylko rzekomym sukcesem.

W tej chwili mały kawałek metalu może być obserwowany tylko przez wspomniane dwa diamentowe kowadełka, które zostały użyte do ściśnięcia ciekłego wodoru przy temperaturze znacznie poniżej zera. Czy prognozowana przez prof. Silverę i kolegów metastabilność, czyli zachowanie metalicznej struktury i właściwości, rzeczywiście się sprawdzi? Przekonamy się w najbliższym czasie, gdyż eksperymentatorzy zamierzają stopniowo zmniejszać ciśnienie i podnosić temperaturę próbki, aby się o tym przekonać. I mają nadzieję, że w trakcie tego procesu wodór po prostu… nie wyparuje.