Metallischer Wasserstoff wird das Gesicht der Technik verändern – bis er verdampft

In den Schmieden des XNUMX. Jahrhunderts werden weder Stahl noch Titan oder Legierungen von Seltenerdelementen geschmiedet. In den heutigen Diamantambossen mit metallischem Glanz leuchtete das, was wir immer noch als das schwer fassbarste aller Gase kennen ...

Wasserstoff steht im Periodensystem ganz oben in der ersten Gruppe, die nur Alkalimetalle umfasst, also Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium. Es überrascht nicht, dass sich Wissenschaftler lange gefragt haben, ob es auch seine metallische Form hat. 1935 waren Eugene Wigner und Hillard Bell Huntington die ersten, die Bedingungen dafür vorschlugen Wasserstoff kann metallisch werden. 1996 berichteten die amerikanischen Physiker William Nellis, Arthur Mitchell und Samuel Weir vom Lawrence Livermore National Laboratory, dass Wasserstoff mit einer Gaspistole versehentlich im metallischen Zustand erzeugt worden war. Im Oktober 2016 gaben Ranga Diaz und Isaac Silvera bekannt, dass es ihnen gelungen sei, metallischen Wasserstoff bei einem Druck von 495 GPa (etwa 5 × 10⁶ atm) und bei einer Temperatur von 5,5 K in einer Diamantkammer. Das Experiment wurde jedoch von den Autoren nicht wiederholt und nicht unabhängig bestätigt. infolgedessen stellt ein Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft die formulierten Schlussfolgerungen in Frage.

Es gibt Hinweise darauf, dass metallischer Wasserstoff unter hohem Gravitationsdruck in flüssiger Form vorliegen könnte. im Inneren riesiger Gasplanetenwie Jupiter und Saturn.

Ende Januar dieses Jahres hat eine Gruppe von Prof. Isaac Silveri von der Harvard University berichtete, dass im Labor metallischer Wasserstoff hergestellt worden sei. Sie setzten die Probe einem Druck von 495 GPa in diamantenen „Ambossen“ aus, deren Moleküle das Gas H bilden₂ zerfallen und eine aus Wasserstoffatomen gebildete Metallstruktur. Nach Angaben der Autoren des Experiments die resultierende Struktur metastabilDas heißt, es bleibt auch nach dem Ende des extremen Drucks metallisch.

Außerdem wäre es laut Wissenschaftlern metallischer Wasserstoff Hochtemperatur-Supraleiter. Neil Ashcroft, Physiker an der Cornell University, sagte 1968 voraus, dass die metallische Phase von Wasserstoff supraleitend sein könnte, das heißt Strom ohne Wärmeverlust und bei Temperaturen weit über 0°C leiten könnte. Allein dies würde ein Drittel des Stroms einsparen, der heute bei der Übertragung und durch die Erwärmung aller elektronischen Geräte verloren geht.

Unter Normaldruck in gasförmigem, flüssigem und festem Zustand (Wasserstoff kondensiert bei 20 K und erstarrt bei 14 K) leitet dieses Element keinen Strom, weil sich Wasserstoffatome zu Molekülpaaren verbinden und ihre Elektronen austauschen. Daher gibt es nicht genügend freie Elektronen, die in Metallen ein Leitungsband bilden und Stromträger sind. Nur eine starke Kompression von Wasserstoff, um Bindungen zwischen Atomen zu zerstören, setzt theoretisch Elektronen frei und macht Wasserstoff zu einem elektrischen Leiter und sogar zu einem Supraleiter.

Zwischen Diamanten zu einer metallischen Form komprimierter Wasserstoff

Dazu könnte auch eine neue Form von Wasserstoff dienen Raketentreibstoff mit außergewöhnlicher Leistung. „Um metallischen Wasserstoff herzustellen, ist ein enormer Energieaufwand erforderlich“, erklärt der Professor. Silber. "Wenn diese Form von Wasserstoff in ein molekulares Gas umgewandelt wird, wird viel Energie freigesetzt, was es zum stärksten Raketentriebwerk macht, das die Menschheit kennt."

Der spezifische Impuls eines mit diesem Kraftstoff betriebenen Motors beträgt 1700 Sekunden. Gegenwärtig werden üblicherweise Wasserstoff und Sauerstoff verwendet, und der spezifische Impuls solcher Motoren beträgt 450 Sekunden. Laut dem Wissenschaftler wird der neue Treibstoff es unserem Raumschiff ermöglichen, mit einer einstufigen Rakete mit größerer Nutzlast in die Umlaufbahn zu gelangen und andere Planeten zu erreichen.

Ein bei Raumtemperatur arbeitender metallischer Wasserstoff-Supraleiter wiederum würde den Bau von Hochgeschwindigkeitstransportsystemen mittels Magnetschwebebahn ermöglichen, die Effizienz von Elektrofahrzeugen und die Effizienz vieler elektronischer Geräte steigern. Auch auf dem Energiespeichermarkt wird es eine Revolution geben. Da Supraleiter keinen Widerstand haben, wäre es möglich, Energie in elektrischen Schaltkreisen zu speichern, wo sie zirkuliert, bis sie gebraucht wird.

Seien Sie vorsichtig mit dieser Begeisterung

Diese glänzenden Aussichten sind jedoch nicht ganz klar, da die Wissenschaftler noch verifizieren müssen, dass metallischer Wasserstoff unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen stabil ist. Vertreter der wissenschaftlichen Community, die von den Medien um Kommentare gebeten wurden, sind skeptisch oder bestenfalls zurückhaltend. Das häufigste Postulat ist, das Experiment zu wiederholen, denn ein vermeintlicher Erfolg ist... nur ein vermeintlicher Erfolg.

Ein kleines Stück Metall ist derzeit nur hinter den erwähnten zwei Diamantambossen zu sehen, mit denen flüssiger Wasserstoff bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt komprimiert wurde. Ist die Prognose von Prof. Werden Silvera und seine Kollegen wirklich funktionieren? Mal sehen, wie die Experimentatoren beabsichtigen, den Druck schrittweise zu verringern und die Temperatur der Probe zu erhöhen, um dies herauszufinden. Und dabei hoffen sie, dass der Wasserstoff einfach… nicht verdunstet.