Pašreizējā lapas versija vēl nav pārbaudīta
Pašreizējo lapas versiju vēl nav pārbaudījuši pieredzējuši dalībnieki, un tā var būtiski atšķirties no 2017. gada 27. maijā pārbaudītās; ir nepieciešamas pārbaudes.
Metāliskais ūdeņradis- ūdeņraža fāzes stāvokļu kopums, kas atrodas ārkārtīgi augstā spiedienā un ir piedzīvojis fāzes pāreju. Metāliskais ūdeņradis ir deģenerēts vielas stāvoklis, un, saskaņā ar dažiem pieņēmumiem, tam var būt dažas specifiskas īpašības - augstas temperatūras supravadītspēja un augsts fāzes pārejas īpatnējais siltums.
1930. gados britu zinātnieks Džons Bernāls ierosināja, ka atomu ūdeņradis, kas sastāv no viena protona un viena elektrona un pilnīgs sārmu metālu analogs, varētu izrādīties stabils augstā spiedienā. 1935. gadā Eugene Wigner un H. B. Hantington veica atbilstošus aprēķinus. Bernāla hipotēze apstiprinājās - saskaņā ar iegūtajiem aprēķiniem molekulārais ūdeņradis pārvēršas atomu metāliskajā fāzē aptuveni 250 tūkstošu atmosfēru (25 GPa) spiedienā ar ievērojamu blīvuma pieaugumu. Pēc tam aplēses par spiedienu, kas nepieciešams fāzes pārejai, ir palielinātas, taču pārejas apstākļi joprojām tiek uzskatīti par potenciāli sasniedzamiem. Teorētiski tiek prognozētas metāliskā ūdeņraža īpašības. Mēģinājumi to iegūt, sākot no 1970. gadiem, izraisīja iespējamās ūdeņraža epizodes 1996., 2008. un 2011. gadā, līdz beidzot 2017. gadā profesors Īzaks Silvera un viņa kolēģis Ranga Diazs panāca stabilu paraugu 5 miljonos atmosfēru, tomēr kamera, kurā paraugs tika uzglabāts sabrukušs zem spiediena, un paraugs tika pazaudēts.
Tiek uzskatīts, ka milzu planētu - Jupitera, Saturna - un lielo eksoplanetu kodolos atrodas liels daudzums metāliskā ūdeņraža. Gravitācijas saspiešanas dēļ zem gāzes slāņa jābūt metāliska ūdeņraža kodolam.
Palielinoties ārējam spiedienam līdz desmitiem GPa, ūdeņraža atomu grupai sāk parādīties metāliskas īpašības. Ūdeņraža kodoli (protoni) tuvojas viens otram daudz tuvāk nekā Bora rādiuss, tādā attālumā, kas ir salīdzināms ar de Broglie elektronu viļņa garumu. Tādējādi saistīšanas spēks starp elektronu un kodolu kļūst nelokalizēts, elektroni vāji saistās ar protoniem un veido brīvu elektronu gāzi, tāpat kā metālos.
Metāliskā ūdeņraža šķidrā fāze atšķiras no cietās fāzes, ja nav liela attāluma. Notiek debates par pieļaujamo šķidrā metāliskā ūdeņraža pastāvēšanas diapazonu. Atšķirībā no hēlija-4, kas ir šķidrs temperatūrā, kas zemāka par 4,2 un normālā spiedienā, pateicoties tā nulles punkta vibrācijas enerģijai, cieši iesaiņotu protonu masīvam ir ievērojama nulles punkta vibrācijas enerģija. Attiecīgi pāreja no kristāliskās fāzes uz nesakārtoto fāzi ir sagaidāma pie vēl lielāka spiediena. N. Eškrofta pētījumi ļauj izveidot šķidrā metāliskā ūdeņraža reģionu spiedienā aptuveni 400 GPa un zemā temperatūrā. Citos darbos E. Babajevs ierosina, ka metāliskais ūdeņradis var būt metālisks superšķidrums.
2011. gadā tika ziņots par ūdeņraža un deitērija šķidrās metāla fāzes novērošanu pie statiskā spiediena 260–300 GPa. , kas atkal radīja jautājumus zinātnieku aprindās.
Zinātniskā sabiedrība bija skeptiska pret šīm ziņām, gaidot atkārtotu eksperimentu.
Metastīvie metāliskā ūdeņraža savienojumi ir daudzsološi kā kompakti, efektīvi un tīri kurināmie. Metāliskajam ūdeņradim pārejot normālā molekulārajā fāzē, atbrīvojas 20 reizes vairāk enerģijas nekā dedzinot skābekļa un ūdeņraža maisījumu – 216 MJ/kg
Ūdeņraža enerģija, tehnoloģiskais progress un vides drošība melnās metalurģijas nozarē.
Dzelzs oksīda tieša reducēšana ar ūdeņradi.
Dzelzs tiešās reducēšanas ar ūdeņradi metode mūsdienās kā tehnoloģisks process ir palicis nemainīgs - īpaši sagatavota, tas ir, bagātināta rūda, koncentrāts, kas satur galveno dzelzs oksīdu, tiek reducēts šahtas krāsnī, izmantojot cieto kurināmo, kā tas bija. gadījums senos laikos, vai Šim nolūkam tiek izmantota pārveidota gāze - dabīgais metāns, bet pārvērsts ūdeņraža un oglekļa monoksīda (CO) maisījumā.
3Fe2O3+H2= 2Fe3O4+H 20
Fe3O4+H2=3FeO+H 2O
FeO+H2=Fe+H2O
Kā tagad atklāts, ir iespējams atgūt rūdas koncentrātus, kas vēl nav pārvērsti granulās. Turklāt izrādījās, ka koncentrāts tiek samazināts pat ātrāk nekā no tā izgatavotās granulas. Tomēr ceļā uz šī procesa ieviešanu rodas tīri tehnoloģiska rakstura grūtības.
Interesantākais veids, kā samazināt dzelzs oksīdu, ir iespēja izmantot ūdeņradi sadegšanas režīmā. Pats reģenerācijas process noritēs diezgan ātri, turklāt nav nekādu lieku piemaisījumu: reģenerācijas produkts ir dzelzs un ūdens. Tomēr ūdeņraža ražošana un uzglabāšana ir saistīta ar daudzām tīri tehniskām un ekonomiskām grūtībām. Tāpēc ūdeņradis līdz šim tiek izmantots tikai metāla pulveru ražošanai.
Ir tehnoloģija dzelzs oksīda vidējai temperatūrai reducēšanai, kad degšanas process un tieša ūdeņraža iedarbība notiek 470-8100C temperatūrā. Reducējošais līdzeklis ir ūdeņradis vai nu tīrā veidā, vai ar oglekļa monoksīda piejaukumu. Dzelzs, protams, ir cietā stāvoklī, reducējot, veido sava veida sūkli.
Iepriekš minēto datu analīze ļauj izdarīt šādus secinājumus:
No dzelzs oksīdu reducēšanas reakcijām ar ūdeņradi eksotermiska ir tikai reakcija (1.1). Palielinoties temperatūrai, attiecība (%H2 O) / (%H2) šīs reakcijas līdzsvara gāzes fāzē samazināsies;
Reakcijas (1.4), (1.7), (1.10) ir endotermiskas. Tāpēc, palielinoties temperatūrai, palielināsies attiecība (%H2 O) / (%H2) šo reakciju līdzsvara gāzes fāzē.
Temperatūras ietekme uz līdzsvara gāzes fāzes sastāva izmaiņām katrai no dzelzs oksīdu reducēšanas reakcijām ar ūdeņradi parādīta 1. attēlā ar punktētām līnijām.
Jāņem vērā, ka līdzsvara gāzu maisījumu sastāvus raksturojošās līknes dzelzs oksīdu reducēšanas reakcijām ar oglekļa monoksīdu un ūdeņradi krustojas 8100C temperatūrā. No ūdens gāzes reakcijas analīzes ir zināms, ka, ja nosacījums ir izpildīts
Oglekļa monoksīdam un ūdeņradim šajā temperatūrā ir tāda pati ķīmiskā afinitāte pret skābekli.
Temperatūrā virs 8100 C ūdeņradim ir augsta ķīmiskā afinitāte pret skābekli. Tāpēc, reducējot dzelzs oksīdus ar ūdeņradi, reducētāja tilpuma saturs gāzes fāzē var būt mazāks nekā reducējot ar oglekļa monoksīdu.
Temperatūrā zem 8100 C oglekļa monoksīdam ir lielāka ķīmiskā afinitāte pret skābekli.
Galaprodukts visur ir dzelzs, ūdens un oglekļa dioksīds, un ūdeni var atkārtoti izmantot ūdeņraža un skābekļa ražošanai. Tādējādi ir reālas iespējas īstenot slēgtu dzelzs reducēšanas ciklu ar ūdeņradi un radīt bezatkritumu ražošanu.
Tomēr ūdeņradi joprojām ražo ar divām pārbaudītām metodēm – ūdens hidrolīzi un tā elektrolītisko sadalīšanos, citiem vārdiem sakot, elektrolīzi. Tomēr ir ķīmiskā sadalīšanās, kas ir izdevīgāka, taču tā nav tik plaši izplatīta, kam ir vairāki tīri tehniski iemesli. Jaunu metožu meklējumi turpinās, jo problēmas nozīmīgums ir neapšaubāms.
Ūdeņraža izmantošana melnās metalurģijas vajadzībām ir mūsdienu realitāte, un tas ir iespējams, izmantojot ūdeņraža turboģeneratorus, kas izveidoti, pamatojoties uz NPPSO "Grantstroy" zinātnisko atklājumu, ko autori Arakelyan G.G., Arakelyan A.G., Arakelyan Gr.G. – iepriekš nezināma parādība ogļūdeņražu divpakāpju oksidēšana augstā temperatūrā ar ūdeni (diploma Nr. 425) un izgudrojums “Ūdeņradi saturošas gāzes iegūšanas paņēmiens turboģeneratora blokā” (patenti Nr. 117145, datēti ar 2012. gada 20. jūniju, Nr.2269486 ar 2006.gada 10.februāri, Nr.2478688 ar 2013.gada 10.aprīli).
Pirmo reizi pasaules praksē, veicot zinātniskus un attīstības darbus, testējot jaunās paaudzes ūdeņraža turboģeneratora bloku saskaņā ar izgudrojuma patentu Nr. 2678688, AS NPPSO "Grantstroy" zinātnieki atklāja unikālu jaunu parādību - dzelzs reducēšanu. oksīds ar ūdeņradi.
Šis apstāklis nebija iekļauts laboratorijas darbu plānā un programmā, lai pētītu ūdeņraža ražošanu turboģeneratora blokā. Analizējot gāzes, kas izplūst no ūdeņraža turboģeneratora bloka, zinātnieki izmantoja starpposma horizontālu gāzes izplūdes cauruli ar diametru 279 mm, sienas biezumu 8 mm un garumu 2500 mm, kas no ārpuses un iekšpuses bija pilnībā pārklāta ar dzelzs oksīdu. malām, kas aptuveni 10 gadus bija pakļautas vides iedarbībai (nokrišņi u.c.) (2. att.)
Rīsi. 2. Laboratorijas pētījumu uzsākšana.
Zinātniekiem šajā testēšanas periodā izvirzītie uzdevumi bija noteikt ūdeņraža sadegšanas temperatūru gāzes izplūdes caurules izejā, izmantojot TP termopāri (temperatūras noteikšanas robeža ir līdz 1500 ° C) un analizēt gāzes, izmantojot Testo- 300 ierīce. Eksperiments ilga apmēram 35 minūtes. Šajā laika posmā tika atklāts, ka ūdeņraža iedarbība 900°C sadegšanas temperatūrā uz šajā eksperimentā izmantoto gāzes izplūdes cauruli veicināja dzelzs oksīda samazināšanos iekšējā pusē par 100% visā biezumā un daļēji ārējā pusē uzliesmojoša ūdeņraža ietekmes dēļ, kas iznāca ierobežotā daudzumā. (3. att.)
Rīsi. 3. Dzelzs oksīda reducēšana ar ūdeņradi.
Uzticami fakti, eksperimentālie pētījumi un, kā parādīts 1. attēlā, ka līknes 5, 5a un dzelzs oksīda reducēšanas reakcija krustojas pie ūdeņraža sadegšanas temperatūras 9000C – tas viss dod pamatu deklarēt iespēju izmantot ūdeņraža turboģeneratorus metalurģija dzelzs oksīda ūdeņraža reducēšanai par fantastiski zemām izmaksām, kas paver iespēju uzsākt raktuvju atkritumu pārstrādi dzelzs oksīda veidā, kuru apjoms visā pasaulē ir aptuveni 1 triljons 250 miljardi tonnu un kas pārkāpj vides stabilitāti reģionos, kas aktīvi iegūst un apstrādā dzelzsrūdu.
Sākotnējie aprēķini un pirmie eksperimenti ir parādījuši: iespēja ražot ūdeņradi ar tik zemām izmaksām, ka “ūdeņraža metalurģija” beidzot iegūs uzticamu ekonomisko pamatu, ņemot vērā dzelzs oksīda ūdeņraža reducēšanas pilnīgu vides drošību.
Kā redzams, metalurģijā ir nepieciešams ieviest tiešu dzelzs oksīda reducēšanu ar ūdeņradi, nodrošinot bezatkritumu ražošanu melnajā metalurģijā.
Dzelzs oksīda tieša reducēšana ar ūdeņradi ir tikai tehnoloģiskā progresa sākums melnajā metalurģijā. Bet citām saitēm - vai tie būtu pārveidotāji, elektriskās krāsnis, automātiskās iekārtas, zemas darbības tehnoloģijas ierīces - ir vajadzīgas labas izejvielas. Tas būs dzelzs oksīds, kas reducēts ar ūdeņradi.
Nākotnes metalurģiju ne velti bieži sauc par ūdeņradi. Pašlaik ūdeņradis ir dārgs. Tā saņemšana, uzglabāšana un transportēšana ir saistīta ar daudzām tīri tehniskām problēmām. Taču eksperimenti un provizoriskie aprēķini liecina, ka ar AS NPPSO Grantstroy izgudrojumu ir iespējams ražot ūdeņradi ar tik zemām izmaksām, ka “ūdeņraža metalurģija” iegūs uzticamu ekonomisko pamatu. Un, ja mēs ņemam vērā ūdeņraža turboģeneratoru iekārtu pilnīgu vides drošību, tad ir apšaubāms, ka tie nosaka metalurģijas nākotni, kas paver milzīgas iespējas mūsdienu pasaulē.
(Šajā rakstā izmantoti arī materiāli no vietnēm un mācību grāmatām)
Zinātņu doktors, godātais
Krievijas Federācijas novators-izgudrotājs,
Krievijas godātais celtnieks G.G. Arakeljana
Patēriņa ekoloģija Zinātne un tehnoloģija: Jaunais materiāls var radīt revolūciju raķešu zinātnē un supravadītāju industrijā, taču līdz šim tas ir iegūts tikai ļoti mazos daudzumos.
Pētnieki no Hārvarda universitātes (ASV) pirmo reizi spēja ražot metālisku ūdeņradi laboratorijā zemā temperatūrā. Lai to izdarītu, viņiem vajadzēja radīt lielāku spiedienu nekā Zemes centrā. Lai gan metāliskais ūdeņradis tika prognozēts gandrīz pirms gadsimta, ārkārtējās grūtības iegūt šo materiālu jau sen ir padarījušas tā ražošanu cietā veidā par nesasniedzamu sapni.
Vēl 20. gadsimta pirmajā pusē teorētiķi parādīja, ka parastais ūdeņradis, kas eksistē divatomu molekulu formā, pakāpeniski zaudēs savu molekulāro struktūru, palielinoties spiedienam. Tās molekulas vienkārši sadalīsies, veidojot daudz blīvāk iesaiņotu atomu ūdeņradi cietajā fāzē.
Šim materiālam, kas ir plaši izplatīts Jupitera interjerā, ir vairākas unikālas īpašības, kas padara to ārkārtīgi daudzsološu. Pēc aprēķiniem tam vajadzētu būt labam vadītājam – varbūt pat supravadītājam. Un, piemēram, kausējot metālisku ūdeņradi, jāizdalās 21 reizi vairāk enerģijas nekā sadedzinot kilogramu tāda paša ūdeņraža skābeklī. Teorētiski tas padara to par lielisku raķešu degvielu, ko var izmantot vienpakāpes raķešu izgatavošanai un lielas kravnesības palaišanai kosmosā ar vidēja izmēra raķeti.
Bet, lai to visu izdarītu, vispirms ir jāiegūst šāds ūdeņradis. Ilgu laiku tā iegūšanai nepieciešamo spiedienu bija iespējams radīt tikai ar dimanta laktu palīdzību ar lāzera sildīšanu un blīvēšanu. Temperatūra šādās laktās nereti tika mērīta tūkstošos grādu – pat pēc tam, kad tajās saņēma metālisku ūdeņradi, pētnieki to uzreiz pēc milisekundes zaudēja. Zemās temperatūrās nebija iespējams droši izmērīt tā metāliskās īpašības.
Šoreiz zinātnieki optimizēja dimanta laktu tā, lai zemā temperatūrā ražotu metālisku ūdeņradi. Lakta sastāv no diviem sintētiskiem koniskiem dimantiem. Lai novērstu dimantu defektus (lai izvairītos no plaisāšanas, palielinoties spiedienam), tie tika pulēti ar dimanta skaidām. Turklāt tie tika pārklāti ar alumīnija oksīda slāni. Ar tās palīdzību bija iespējams bloķēt ūdeņraža difūziju pie augsta spiediena laktas dimantos.
Izkliedējot ūdeņradi, ātri veidojas dimantidefekti, kas padara tos trauslus, un turpmāka ūdeņraža saspiešana noved pie to iznīcināšanas. Pēc modifikācijas dimanta laktas šūna tika izmantota, lai ražotu metālisku ūdeņradi 5,5 kelvinu temperatūrā un 495 gigapaskāļu spiedienā. Tas ir gandrīz piecus miljonus reižu augstāks nekā atmosfēras. 5,5 kelvini ir rekordzema temperatūra šim spiedienam. Spektroskopiskā analīze parādīja, ka ūdeņradis jaunajā materiālā ir atomu stāvoklī un tā blīvums atbilst metāliskajam ūdeņradim.
Līdz šim ūdeņradis iegūts ļoti nelielos daudzumos, ar kura palīdzību varēja tikai droši noskaidrot, ka tam piemīt metāliskas īpašības un augsta atstarošanas spēja - no uz tā krītošā elektromagnētiskā starojuma tas atstaroja aptuveni 0,91. Tomēr nākotnē pētnieki cer iegūt pietiekami lielus šī materiāla daudzumus. Ievērojamos daudzumos tam jābūt metastabilam, piemēram, dimantam. Tas nozīmē, ka, lai gan tā ražošanai ir nepieciešams ļoti augsts spiediens, metāliskais ūdeņradis pēc izveidošanās saglabājas stabils pat parastos apstākļos - istabas temperatūrā un atmosfēras spiedienā. Tas ir saistīts ar faktu, ka enerģija, kas nepieciešama, lai pārtrauktu saites šādā materiālā, ir tik liela, ka normālos apstākļos šāda pāreja nenotiks.
Es prognozēju vairākus darbust metāliskajam ūdeņradim ir supravadītspēja istabas temperatūrā. Līdz šim šādi supravadītāji vēl nav iegūti.
Metāliskais ūdeņradis ražo daudz enerģijas, un, kad tas nonāk gāzveida (parastā) ūdeņraža fāzē, šī enerģija ātri atbrīvojas. Ja to izmanto raķešu dzinējos, tas var radīt īpašu impulsu 1700 sekundes. Mūsdienu labākie raķešu degvielas veidi sniedz skaitļus apmēram 400 sekundes. Turklāt metāliskajam ūdeņradim, pateicoties tā metastabilitātei, nebūs vajadzīgas kriogēnās tvertnes un tas ātri neplūdīs cauri to sienām kosmosā (tas ierobežo šķidrā ūdeņraža izmantošanu raķetēs). Ar šādu cieto kurināmo teorētiski par mērenām izmaksām ir iespējams izveidot vienpakāpes lielas kapacitātes raķetes. NASA to uzskata par faktoru, kas var krasi mainīt spēku līdzsvaru kosmosa nozarē. To, vai tā ir taisnība, iespējams pārbaudīt tikai praksē – pēc esošo tā izstrādes metožu pilnveidošanas. publicēts
Ko mēs zinām par apkārtējo pasauli? Aizmirsti. Kopumā visi materiāli mums apkārt ir sadalīti trīs pamata, ļoti specifiskās nometnēs. Piemēram, sākumā ņemsim cietu ūdens kubu – ledu. Kad tas sasniedz noteiktu temperatūru, tas no ledus pārvērtīsies ledū. Ja turpināsit paaugstināt temperatūru, galu galā veidosies tvaiks.
Citiem vārdiem sakot, katrai molekulai ir sava fāzes diagramma. Šī diagramma ir sava veida karte par to, ko sagaidīt no molekulas dažādos apstākļos, kā tā izturēsies, mainoties temperatūrai, spiedienam un citiem parametriem. Ir zināms, ka katram elementam diagramma ir pilnīgi unikāla. Un tas viss tāpēc, ka pastāv atšķirības molekulāro atomu sistēmā. Galu galā šajā izkārtojumā var notikt dažādi procesi.
Interesanti ir arī tas, ka, sākoties sarunai par ūdeņradi, mēs pēkšņi atklājam, ka praktiski neko neesam dzirdējuši par tā iespējām. Varbūt dažas reakcijas, kas saistītas ar šī elementa barošanu ar skābekli. Bet pat tad, kad mēs viņu uzņemam vientuļnieka stāvoklī, viņa ārkārtējā “kautrība” neļauj viņam mijiedarboties ar citiem elementiem vienskaitlī. Fakts ir tāds, ka ūdeņradis gandrīz vienmēr apvienojas molekulā (parasti gāzes formā) un tikai pēc tam reaģē.
Ja ūdeņradi var iedzīt pudelē un temperatūru paaugstināt līdz trīsdesmit trīs kelviniem, kas ir divi simti četrdesmit grādi pēc Celsija, viela kļūst šķidra. Nu, mīnus četrpadsmit - mīnus divi simti piecdesmit deviņi pēc Celsija - ūdeņradis sacietē.
Loģiski izrādās, ka paaugstinātā temperatūrā ūdeņradim jāpaliek gāzveida formā. Bet tas ir pakļauts zemam spiedienam. Palielinot spiedienu tajā pašā augstā temperatūrā, jūs varat atrast ļoti interesantas sekas.
Ūdeņraža kosmiskā uzvedība
Kosmosā notiek neticamas ūdeņraža pārvērtības. Uz Zemes tos ir gandrīz neiespējami atklāt. Ņemsim, piemēram, Jupiteru. Un šeit atrastais ūdeņradis sāk parādīt savas neparastās īpašības.
Iegremdēts dziļumā zem planētas redzamās virsmas, parastais augstspiediena ūdeņradis sāk piekāpties savam brālim - gāzes un šķidruma superkritiskā hibrīda slānim. Tas ir, apstākļi ir pārāk karsti, lai paliktu šķidrumā, bet pārāk augsts spiediens, lai paliktu gāze.
Bet tas ir tikai dīvainības sākums. Ja iedziļināties dziļākos slāņos, jūs varat atklāt pilnīgi neticamas matērijas pārvērtības. Kādu laiku ūdeņraža sastāvdaļas joprojām turpina it kā atlēkt. Bet pie spiediena, kas pārsniedz spiedienu uz Zemes, ūdeņraža saites turpina saspiesties. Rezultātā reģionā zem trīspadsmit tūkstošiem kilometru zem mākoņiem parādās zināms haotisks maisījums, kurā atrodas atsevišķi brīvi ūdeņraža kodoli, kas ir atsevišķi protoni, kas sajaukti ar atbrīvotajiem elektroniem. Augstā temperatūrā un zemā spiedienā šis sastāvs ir plazma.
Taču Jupitera apstākļi, piedāvājot augstāku spiedienu, neprovocē plazmas veidošanos, bet kaut ko līdzīgu metālam. Rezultāts ir šķidrs kristālisks metāls.
Zinātnieki secinājuši, ka metāliskajā ūdeņradi nav nekā dīvaina. Vienkārši ir apstākļi, kādos viena vai otra nemetāliska viela sāk iegūt metāla īpašības. Bet ūdeņradis nav parasts metāls, bet gan attīrīts atoms – protons. Rezultāts ir kaut kas līdzīgs šķidram metālam. Protons ir it kā suspendēts šķidrumā. Un, ja agrāk tika uzskatīts, ka tas varētu notikt uz pundurzvaigznēm, tad šodien izrādās, ka matērijai šādas īpašības var būt turpat blakus mūsu sistēmā.
Attēls, kurā redzamas dimanta laktas, kas saspiež molekulārā ūdeņraža paraugu. Augstā spiedienā ūdeņradis kļūst par atomu, kā parādīts labajā pusē. Avots: Dias & Silvera, 2017
1935. gadā zinātnieki Jūdžins Vīgners un Bels Hantingtons paredzēja iespēju ūdeņradi pārvērst metāliskā stāvoklī milzīga spiediena – 250 tūkstošu atmosfēru – ietekmē. Nedaudz vēlāk šis viedoklis tika pārskatīts, eksperti palielināja fāzes pārejai nepieciešamā spiediena novērtējumu. Visu šo laiku pārejas apstākļi tika uzskatīti par sasniedzamiem, un zinātnieki mēģināja “paņemt stieni”, kas nepieciešams ūdeņraža pārejai uz jaunu fāzi. Metāliskais ūdeņradis pirmo reizi tika mēģināts 1970. gados. Atkārtoti mēģinājumi tika veikti 1996., 2008. un 2011. gadā. Iepriekš tika ziņots, ka 1996. gadā zinātniekiem no Vācijas uz mikrosekundes daļu izdevās pārvērst ūdeņradi metāliskā stāvoklī, lai gan ne visi tam piekrīt.
Runājot par spiedienu, kas nepieciešams metāliskā ūdeņraža ražošanai, attīstoties kvantu mehānikai un fizikai kopumā, kļuva skaidrs, ka spiedienam jābūt aptuveni 20 reižu lielākam, nekā tika uzskatīts līdz šim – nevis 25 GPa, bet 400 vai pat 500 GPa. Tiek uzskatīts, ka milzu planētu - Jupitera, Saturna un lielo ārpussolāro planētu kodolos atrodas liels daudzums metāliskā ūdeņraža. Gravitācijas saspiešanas dēļ zem gāzes slāņa jābūt metāliska ūdeņraža kodolam. Skaidrs, ka, lai iegūtu gigantisku spiedienu, ir nepieciešamas īpašas tehnoloģijas un metodes. Vēlamais rezultāts tika sasniegts, izmantojot divas dimanta laktas.
Latas izturību palielināja alumīnija oksīda pārklājums, kas izrādījās necaurlaidīgs ūdeņraža atomiem. Ūdeņraža paraugs tika saspiests starp divu dimanta laktu smailajiem galiem, un 495 GPa spiedienā zinātnieki panāca parauga pāreju uz metāla fāzi.
Avots: Dias & Silvera, 2017
Jebkurā gadījumā paraugs vispirms kļuva tumšāks un pēc tam sāka atstarot gaismu. Salīdzinoši zemā spiedienā paraugs bija necaurspīdīgs un nevadīja strāvu. Eksperiments, ko veica Isaac Silvera un Ranga Dias, tika atkārtots. Zinātniekiem 2016. gada vidū pirmo reizi izdevās panākt ūdeņraža pāreju uz metālisko fāzi. Taču eksperimenta rezultātiem bija nepieciešams apstiprinājums un atkārtots eksperiments. Tā kā sākotnējā eksperimenta rezultāti tika apstiprināti, tos var uzskatīt par pareiziem.
Zinātnieki vairākus gadus ir strādājuši pie pašreizējā rezultāta. Sudrabai un Diazam bija vajadzīgi trīs gadi, lai sasniegtu spiedienu, pie kura ūdeņradis sadalās atsevišķos atomos. Attiecīgais spiediens ir 380 GPa.
Pēc tam spiediena palielināšanās nozīmēja nepieciešamību stiprināt eksperimentā izmantoto dimanta laktu izturību. Lai to izdarītu, viņi sāka izsmidzināt ļoti plānu alumīnija oksīda plēvi. Bez nostiprināšanas dimanti, kas ir cietākie minerāli uz Zemes, sāk plīst, kad spiediens palielinās virs 400 GPa.
Zinātnieki ir paveikuši daudz darba, pētot dimantus. Iznīcināšanai varētu būt vairāki iemesli - no kristāla struktūras defektiem līdz paša ūdeņraža ietekmei, kas saspiests līdz milzīgam blīvumam. Lai atrisinātu pirmo problēmu, speciālisti rūpīgi pārbaudīja kristāla struktūras mikroskopā ar lielu palielinājumu. "Kad mēs skatījāmies uz dimantu mikroskopā, mēs atklājām defektus, kas padara šo minerālu neaizsargātu pret ārējiem faktoriem," sacīja Silvera. Otra problēma tika atrisināta, izmantojot izsmidzināšanu, kas novērš ūdeņraža atomu un molekulu noplūdi.
Pagaidām ir grūti pateikt, kāda veida metālu briti saņēma - cietu vai šķidru. Viņiem pašiem ir grūti pateikt, lai gan viņi uzskata, ka ūdeņradis ir nonācis šķidrā metāla fāzē, jo to paredz aprēķini. Viņi ir pārliecināti, ka ūdeņraža paraugs pēc saspiešanas kļuva 15 reizes blīvāks nekā pirms procedūras sākuma. Ūdeņraža temperatūra, kas tika ievietota dimanta laktā, bija 15K. Pēc tam, kad elements nonāca metāla fāzē, tas tika uzkarsēts līdz 83 K, un tas saglabāja savas metāliskās īpašības. Aprēķini liecina, ka metāliskais ūdeņradis var būt metastabils, tas ir, saglabāt savas īpašības pat pēc tam, kad ir vājināti ārējie faktori, kas noveda pie elementa pārejas uz metāla fāzi.
Kāpēc cilvēkam vajadzīgs metāliskais ūdeņradis? Tiek uzskatīts, ka šajā stāvoklī tam piemīt augstas temperatūras supravadītāja īpašības. Turklāt metastabilus metāliskus ūdeņraža savienojumus var izmantot kā kompaktu, efektīvu un tīru raķešu degvielu. Tādējādi, metāliskajam ūdeņradim pārejot molekulārajā fāzē, izdalās aptuveni 20 reizes vairāk enerģijas nekā sadedzinot kilogramu skābekļa un ūdeņraža maisījuma - 216 MJ/kg.
"Mums vajadzēja milzīgu enerģijas daudzumu, lai ražotu metālisku ūdeņradi. Un, ja jūs pārvēršat atomu metālisko ūdeņradi atpakaļ molekulārā stāvoklī, visa šī enerģija tiek atbrīvota, lai mēs varētu radīt pasaulē jaudīgāko raķešu degvielu, kas radīs revolūciju raķešu zinātnē," sacīja pētījuma autori. Pēc viņu domām, jaunā degviela, ja to izmantos, ļaus viegli sasniegt citas planētas. Ceļošanai uz tiem pavadītais laiks būs daudz mazāks nekā pašlaik, izmantojot modernās tehnoloģijas.
