Изображение алмазных наковален, сжимающих образец молекулярного водорода. При высоком давлении водород переходит в атомарное состояние, как показано справа. Источник: Dias & Silvera, 2017
В 1935 году ученые Юджин Вигнер и Бэлл Хантингтон предсказали возможность перевода водорода в металлическое состояние под воздействием огромного давления — 250 тысяч атмосфер. Немного позже эта точка зрения была пересмотрена, специалисты повысили оценку давления, которое требуется для фазового перехода. Все это время условия перехода считались достижимыми, и ученые пробовали «взять планку», необходимую для перехода водорода в новую фазу. Впервые металлический водород пытались получить в 1970-х. Повторные попытки были предприняты в 1996, 2008 и 2011 году. Ранее сообщалось, что в 1996 году ученым из Германии удалось на долю микросекунды перевести водород в металлическое состояние, хотя не все согласны с этим.
Что касается давления, необходимого для получения металлического водорода, то с развитием квантовой механики и физики вообще стало понятно, что давление должно быть примерно в 20 раз более высоким, чем считалось ранее — не 25 ГПа, а 400 или даже 500 ГПа. Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. Понятно, что для того, чтобы получить гигантское давление, нужны особые технологии и методы. Добиться желаемого получилось благодаря использованию двух алмазных наковален.
Прочность наковальни была усилена напылением из оксида алюминия, которое оказалось непроницаемым для атомов водорода. Образец водорода был сжат между заостренными концами двух алмазных наковален и при давлении в 495 ГПа ученые добились перехода образца в металлическую фазу.
Источник: Dias & Silvera, 2017
Во всяком случае, образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет. При относительно низких показателях давления образец был непрозрачным, ток он не проводил. Эксперимент, проведенный Исааком Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias), был повторным. Впервые добиться перехода водорода в металлическую фазу ученым удалось в середине 2016 года. Но результаты эксперимента нуждались в подтверждении, повторном опыте. Поскольку результаты изначального опыта подтвердились, их можно считать корректными.
К текущему результату ученые шли несколько лет. Только на то, чтобы достичь давления, при котором водород разбивается на индивидуальные атомы, у Силвера и Диас ушло три года. Давление, о котором идет речь — 380 ГПа.
После этого увеличение давления подразумевало необходимость усиления прочности алмазных наковален, которые использовались в эксперименте. Для этого стали напылять тончайшую пленку из оксида алюминия. Без усиления прочности алмазы, которые являются наиболее твердыми минералами на Земле, начинают разрушаться при увеличении давления выше показателя в 400 ГПа.
Учеными была проделана большая работа по изучению алмазов. Причин разрушения могло быть несколько — от дефектов структуры кристалла до влияния самого сжатого до огромной плотности водорода. Для того, чтобы решить первую проблему, специалисты тщательным образом проверяли структур кристалла под микроскопом с большим увеличением. «Когда мы просмотрели на алмаз под микроскопом, мы обнаружили дефекты, которые делают этот минерал уязвимым к внешним факторам», — заявил Силвера. Вторая проблема была решена при помощи напыления, противодействующего утечке атомов и молекул водорода.
Пока что сложно сказать, какую форму металла получили англичане — твердую или жидкую. Сами они затрудняются сказать, хотя считают, что водород перешел в фазу жидкого металла, поскольку это предсказано расчетами. В чем они уверены, так это в том, что образец водорода после сжатия стал в 15 раз более плотным, чем до начала этой процедуры. Температура водорода, который поместили в алмазную наковальню, составила 15К. После перехода элемента в металлическую фазу его нагрели до 83 К, и он сохранил свои металлические свойства. Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены.
Зачем человеку металлический водород? Считается, что в таком состоянии он проявляет свойства высокотемпературного сверхпроводника. Кроме того, метастабильные соединения металлического водорода могут использоваться в качестве компактного, эффективного и чистого ракетного топлива. Так, при переходе металлического водорода в молекулярную фазу высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода — 216 Мдж/кг.
«Для получения металлического водорода нам понадобилось огромное количество энергии. А если вы снова переведете атомарный металлический водород в молекулярное состояние, вся эта энергия высвободится, так что мы можем получить самое мощное ракетное топливо в мире, что совершит революцию в ракетостроении», — заявили авторы исследования. По их мнению, новое топливо, при условии его использования, позволит легко достичь других планет. Времени на путешествие к ним будет затрачено гораздо меньше, чем в настоящее время, с использованием современных технологий.
DOI: 10.1126/science.aal1579
Комментарии (100)
Arxitektor
27.01.2017 17:11-4Вспомнился взрыв водородной батареи терминатора.
Из фильма где была терминаторша.
Если он сохраняет свойства при нормальном давлении и температуре. Это здорово.
У военных будет самая мощная не ядерная взрывчатка.
Даже если при 50 ком и крионика то для современных технологий это не особо сложно.
Осталось наладить промышленное производство.
Вот интересно из космоса возить такое топливо будет выгодно?
Akon32
27.01.2017 17:48-1У военных будет самая мощная не ядерная взрывчатка.
Не так уж и здорово. Мир сейчас обеспечивается ядерным оружием, которое не применяют, потому что оно "грязное".
maaGames
27.01.2017 18:13+5Не применяют, потому что боятся получить «ответку». А уж грязное или нет — им почти плевать. Для того ПРО вокруг России и наращивают, чтобы можно было относительно безопасно расхерачить всю страну, перехватив выпущенные в ответ ракеты. Понятно, что загрязнение на всей планете скажется, но всё же… С такими железно-водородными бомбами ситуация будет ровно такая же — если вероятность получить сдачи сильно превышает шанс отскочить, то их постараются не применять.
Nuwen
27.01.2017 18:08+1Это реально крутое открытие, читал что скорость истечения реактивной струи у двигателя на атомарном водороде будет около 10 000 м/сек, что уже в четыре раза выше существующих скоростей у ракетных двигателей. Приводился пример, что аппарат, способный вывести человека на орбиту — с такими достижимыми скоростями — будет размером с легковой автомобиль. Кстати, тот любимый многими момент в фильме «Интерстеллар», когда шаттл взлетает с планеты, может быть не так уж и надуман. Запасы атомарного водорода позволяют это делать челнокам, но не позволяют всему кораблю взлетать с Земли в начале — в целях экономии такого дорогостоящего топлива.
choupa
27.01.2017 20:57+4Считаем. Энергия на единицу массы выше в 20 раз, значит удельный импульс выше в корень из 20, пусть примерно 4,5 раза чем сейчас. Это значит он будет порядка 2000 сек.
Далее по формуле Циолковского (пусть ракета одноступенчатая) для вывода на НОО получаем стартовую массу всего в 1,5 больше массы полезной нагрузки. Т.е. в Шаттл надо залить всего 40 тонн такого топлива против 1800-1900 тонн сейчас. Это вполне самилётный вариант.
Т.е. 20-кратная энергоёмкость даёт выигрыш в массе топлива в 45 раз. Для вывода на ГСО или на траекторию к Марсу выигрыш будет ещё больше.
CrazyRoot
27.01.2017 18:47Осталось только придумать как его извлекать без большого бума, да и сменить способ упаковки: пылесос такой, который на выходе выдает бруски металлического водорода :)
rPman
27.01.2017 19:11После бумбума оно жидкое и горячее, его нужно охладить и слить в кювету, если ударного давление для его существования не потребуется (т.е. достаточно будет пассивного корпуса) то делай из этого жидкого что угодно, лей проволоку, листы, бруски,… а затем охлаждай до нуля, почти наверняка давление тогда совсем не потребуется.
VDG
27.01.2017 18:59В 90-е была байка/страшилка про несуществующую «красную ртуть». Пугали, что зарядом размером со спичечный коробок можно разнести несколько кварталов. Металлический водород — потенциальный претендент на это место этакого чистого миниплуто.
singalen
27.01.2017 20:00Без усиления прочности алмазы, которые являются наиболее твердыми минералами на Земле, начинают разрушаться при увеличении давления выше показателя в 400 ГПа.
Представил себе эдакого Модеста Камноедова: «Ну вот, алмаз сломали. Что им не дай, расковыряют. Казалось бы — алмаз!»
SlimShaggy
28.01.2017 12:59+2На самом деле сломать алмаз не так уж и сложно, достаточно гидравлического пресса
Mad__Max
02.02.2017 06:18+2Тут даже и гидравлики не понадобилось — от руки винтом накрутили. Пятнышко контакта всего порядка 30х30 микрон, при такой площади для 500 ГПа достаточно всего 450 Н усилия — как от груза в 45 кг.
APLe
27.01.2017 22:28+3А вообще, подозреваю, радость по поводу метастабильного состояния преждевременна.
Создание металлического водорода – фундаментальное исследование. Фундаментальные исследования плохо финансируют, если наверху не видят из них практической выгоды. Поэтому фундаментальные исследователи активно рассказывают о возможном практическом применении их открытий, даже если эти возможности являются сомнительными гипотезами. А другие учёные не выводят их на чистую воду – во-первых, потому что непосредственно в статьях обычно эти гипотезы описывают более обтекаемо (вспоминаем комикс «учёные создали лекарства от рака – учёный изнасиловал журналиста), во-вторых, потому, что другие учёные тоже понимают важность фундаментальных исследований и проблемы их финансирования, :-).
loly_girl
28.01.2017 05:41Почему-то нет комментариев о том, что металлический водород может быть сверхпроводником при комнатной температуре. Что будет прорывом в энергетике, современные сверхпроводящие кабели с охлаждением пока слишком дорогие и неудобные.
APLe
28.01.2017 05:51+4Если только он будет не просто сверхпроводником, но сверхпроводником и при высоких токах.
Но вообще я бы побоялся силового кабеля, хранящего по 200 МДж на килограмм проводника. Потому что силовая электрика непредсказуемо искрит и раскаляется добела, :- ).
Fagot63
28.01.2017 17:29Где то в фантастике встречал что его(сверхпроводника) можно будет коснуться голыми руками без последствий. Якобы человек будет слишком сильным сопротивлением чтобы через него разрядится. Интересно узнать как на самом деле будет.
MTyrz
28.01.2017 21:54В общем случае это неверно. Сопротивление медного провода в сравнении с сопротивлением человеческого тела тоже ничтожно.
Т.е. если сверхпроводник под напряжением просто висит в воздухе — весь ток пойдет через человека. Разумеется, если человек заземлен: стоя на резиновом коврике, я переключатели под напряжением без проблем монтировал голыми руками в свое время, к священному ужасу сослуживцев. Молодость, армия… главное было второго контакта не коснуться случайно.
Собственно, если схема нагружена, но напряжение на сверхпроводнике достаточное (внутреннее сопротивление источника достаточно малое) — будет то же самое, и без разницы, чем она нагружена. Важно, что к электроду под напряжением U подключено сопротивление человеческого тела R, далее закон Ома для участка цепи.Fagot63
29.01.2017 00:11Познакомился с напряжением еще в детском саду. Два гвоздя в розетку, два пальца к «выводам», воспитательница в шоке. :)
isden
28.01.2017 11:39+1> напылением из оксида алюминия, которое оказалось непроницаемым для атомов водорода
Т.е. можно делать баки для водорода/гелия высокого давления, из которых они не будут утекать со страшной силой?rPman
28.01.2017 13:19если я правильно понял стеклянные баки и конструкция уже не позволяет утекать водороду со страшной силой, другая проблема оно хрупкое и дорогое в производстве
Zenitchik
31.01.2017 14:31Утечка — не из-за непроницаемости баков, а из-за испарения водорода, который приходится стравливать, чтобы давление в баке не росло.
isden
31.01.2017 14:39Диффузия, не? Я, кстати, про баки высокого давления писал, а не про хранение жидкого.
Zenitchik
31.01.2017 14:52+1Да, диффундирует. Пардон, невнимательно прочитал, про дьюары для жидкого подумал.
Вообще, логично предположить, что через керамику водород будет диффундировать медленнее, чем через металл. Но всё равно будет.
potan
28.01.2017 13:48А магнитные свойства исследовали? Была гипотеза, что сильное магнитное поле позволит снизить давление.
Pand5461
29.01.2017 10:18+4Какое ракетное топливо? какой металлический водород при атмосферном давлении?
Вы представляете, как пишутся научные статьи и пресс-релизы? Там надо придумать, как явление, которое ты нашел, может пригодиться в народном хозяйстве — вот и пишут что-то, чтобы было красиво и денег дали на дальнейшие эксперименты.
Я был в этой лаборатории (непонятно, кстати, почему написано, что они англичане — Гарвард в США). Алмазные наковальни, в которых они сжимают водород, имеют максимальный диаметр около 5 миллиметров, а площадка для образца там 30 микрон в диаметре — то есть количества ничтожные.
Над задачей получения металлического водорода они бились, в первую очередь, из фундаментального интереса. Дело в том, что Вигнер и Хантингтон при первоначальных оценках давления перехода сильно ошиблись, недооценив масштаб туннельного эффекта в водороде. Когда поняли, что прессом просто так не сжать, стали пробовать сжимать импульсно, т.е. ударными волнами. Это делали в Сандийской лаборатории и у нас в Сарове, в частности. И переход в проводящее состояние, действительно, был обнаружен, но при температуре в несколько тысяч градусов. А это уже плазма, поэтому о металлической проводимости говорить не совсем корректно.
Силвера и Диас же добились металличности при низких температурах, где водород гарантированно не ионизован нагревом. На пути неожиданно были обнаружены несколько новых фаз, которых никто не предсказывал — диффузия туннелированием приводит к странным эффектам. Многие не верили, что они до металлической фазы всё-таки дожмут.
Теперь интересно узнать какие-то ещё свойства этого металлического водорода — плотность там, давление перехода в зависимости от температуры и т.д.
semen-pro
01.02.2017 12:49+1Меня тоже поразило количество обещаний, видимо, чтоб финансирование не урезали.
Pand5461
01.02.2017 13:30+1Да нет там обещаний непосредственно в статье. Там всё «probably», «some believe that» и всё в этом роде. Просто дать понять, что они в курсе общих идей по потенциальному применению сабжа.
А в Nature уже опубликовали «опровержение» (из 4 высказавшихся экспертов 3 советских фамилии). На что Сильвера ответил, что образец у них до окончательного выхода статьи лежал в криостате, чтобы не повредился, и никаких свойств они поэтому не исследовали. А лишнего криостата, чтобы ещё один образец получить, у них нет — второй имеющийся занят другим опытом.
br0x
01.02.2017 13:57Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены.
Не совсем понятно, почему «может быть». Неужели так сложно было убрать давление и убедиться наверняка?Zenitchik
01.02.2017 14:39+2Да, сложно. Потому что если просто снять давление он почти наверняка выйдет из метастабильного состояния (если оно вообще для него характерно). Нужно конкретно знать, какие меры нужно предпринимать для того, чтобы материал оставался в метастабильном состоянии.
Pand5461
02.02.2017 09:33+1Неужели так сложно было убрать давление и убедиться наверняка?
Ага. А чтобы проверить, жидкое оно или твёрдое — молотком по нему треснуть. А чтобы проверить перспективу как топлива — сжечь.
Вы думайте, о чём говорите — драгоценный образец разрушать просто для того, чтобы проверить, разрушится он или нет, никто не будет, пока не исследуют вдоль и поперёк.
Andy_Big
Я же правильно понимаю, что в данном случае метастабильность не означает возможность ослабление давления в десятки-сотни тысяч раз? А представить себе ракету с баками, выдерживающими внутреннее давление в тысячи (да даже в сотни) атмосфер я как-то не в состоянии :)
ThunderCat
Andy_Big
Снижать с пяти миллионов атмосфер нужно не в сотни-тысячи, а в сотни тысяч, а еще лучше в несколько миллионов раз, иначе вес у такого бака/контейнера будет неподъемным для ракеты :)
pencilTM
это каким образом давление влияет на вес? новый закон физики?
Zenitchik
Давление внутри тары закономерно связано с массой этой самой тары через прочность оной.
Andy_Big
Давление влияет на требования к прочности сосуда, а чем выше должна быть его прочность тем больше будет его вес (при прочих равных). Сравните вес 5-литровой бутыли для воды, которая может выдержать 1-3 атмосферы и вес 5-литрового кислородного баллона, рассчитанного на давление под 200 атмосфер.
rPman
а почему вы для сравнения выбрали стеклянную тару а не алюминиевую банку? это же разные эпохи и уровни технологии.
кстати тупо металлический баллон тоже прошлый век, уже давно используют легкие композитные материалы.
Zenitchik
А почему Вы подумали, что тара — стеклянная?
Andy_Big
Вообще я имел в виду пластиковую бутыль :) Со стеклянной разница как раз будет меньше, да и не уверен я в способности 5-литровой банки выдержать 3 атмосферы :)
Композитные баллоны под такое давление действительно бывают, их вес не в 70-100 раз выше пластиковой бутылки, как у металлических, а всего в 30-50 :)
Andy_Big
Давление есть давление, это всегда одинаковая проблема, независимо от того, что находится под давлением :)
Alexeyslav
Только есть огромная разница поддерживать давление в объёме 10куб.м. или в 10куб.см. — разница и требования к прочности сосуда отличаться будут в сотни тысяч раз!
Andy_Big
Требования к прочности не будут отличаться при одинаковом давлении, а вот масса сосудов — да, будет :)
SystemXFiles
Тут подразумевают скорее всего другое.
Гипотетически сжатый в металлическое состояние (твердое) водород способен будет оставаться таким даже в нормальных условиях. Видимо хотят как-то по частям «разжимать» такой водород и использовать как топливо. Другое дело, если начнется цепная реакция (интересный кстати вопрос, а будет ли она), то ракету порвет знатно
c_kotik
«высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода» — если это произойдёт на стартовой площадке, то скорей всего останется стартовый кратер.
gsaw
В других статьях на эту тему написанно, что водород остается в металлическом состоянии после снятия давления. И так же говорится, что поскольку для перевода водорода требуется очень много энергии, то при переводе водорода в молекулярное состояние (два атома водорода в связке) высвобождается «огромное» колличество тепла.
Мне непонятно, что нужно для перевода металлического водорода в молекулярное сотояние. Плюнуть на него, нагреть на спиртовке? Я не нашел этого. Потом опять же, выделяемое тепло как то надо преобразовать в кинетическую энергию. В атомных электростанциях нагревают воду и крутят ей турбины. А что нагревать в космосе?
Kardy
Водород же и нагревать. Точнее, не столько нагревать, сколько швыряться атомами водорода в направлении противоположном нужному.
vanxant
Вот как раз проблем с преобразованием в кинетическую энергию никаких. Просто засунуть в сопло Лаваля (гуглите) и всё, дальше форма сопла всё сделает сама. Если, конечно, температура такого «свежерасжатого» водорода позволит найти достаточно жаропрочные материалы для такого сопла.
На Земле, кстати, такой движок тоже очень пригодится как очень компактный источник энергии. Просто направляем сопло на лопатки турбины и дальше делаем что хотим — можно колёса машины крутить, а можно генератор небольшой электростанции. Главное не забыть сжечь выделяющийся водород, а то уж слишком он взрывоопасен в воздухе.
gsaw
Может быть, хотя везде делается упор на выделяемой энергии при переходе из металлического в обычное, молекулярное состояние. В сопле как я понял кинетическая энергия полчается за счет резкого снижения давления, ну типа того.
Тут я думал, что вся фишка в запасаемой энергии, а не то, что можно больше взять с собой водорода. Хотя если теория верна и водород остается металлическим при нормальных температурах, то это конечно лучше, чем жидкий водород. Хотя опять же, в обсуждаемой статье написанно, что вещество после перехода в металлическое состояние стало плотнее в 15 раз. Всего? Странно, в той же википедии про водород, говорится, что жидкий водород имеет плотность 70 кг/м?, а газообразный 0,0899 кг/м?, это где то в 800 раз разница.
vanxant
Так.
Как конкретно, по вашему, выделяется энергия при переходе металлического водорода в молекулярное состояние? Поскольку никаких излучений тут вроде не наблюдается, вариант только один — энергия выделяется в виде кинетической энергии (скорости движения) получившихся молекул. При переходе от микромолекулярной физики к статистической термодинамике большая средняя скорость движения молекул называется высокой температурой, но в данном случае это не так важно.
Дальше. Сопло состоит из двух частей: дозвуковой сужающейся и сверхзвуковой расширяющейся.
Внутри любого сосуда, в т.ч. дозвуковой части сопла, молекулы газа постоянно сталкиваются друг с другом под случайными углами и из-за этого движутся во все стороны равновероятно. Если просуммировать модуль скорости всех молекул и взять среднее, то это будет мера температуры с одной стороны (с необходимыми коэффициентами) и, внезапно, скорость звука в газе при данной температуре — с другой. Но если взять векторную сумму (с учётом направлений), то в замкнутом сосуде средняя векторная скорость будет равна 0.
Но сопло не замкнуто, в нём есть дырка. Через эту дырку вылетают только те, оказавшиеся рядом с дыркой, молекулы, вектор скорости которых оказался направлен в сторону этой дырки. Остальные улетают назад в сопло. Т.е. дырка пропускает только молекулы, летящие в нужную сторону. Каково среднее значение модуля скорости у этих молекул? Правильно, средняя скорость та же самая, что и у молекул внутри сопла, и равна скорости звука для данной температуры.
Стык дозвуковой и сверхзвуковой частей сопла называется критическим сечением. В критическом сечении средняя скорость молекул равна скорости звука и направлена по оси тяги, что, однако, не мешает молекулам продолжать сталкиваться, обмениваться энергией и в итоге менять направление полёта.
Дальше вспоминаем школьную молекулярную физику, конкретно про распределение кинетической энергии по степеням свободы. Для двухатомной молекулы водорода таких степеней при нормальных условиях 5: это по трём обычным осям и двум осям вращения. На самом деле, условия в критическом сечении сопла далеки от нормальных, и у молекулы водорода появляется ещё одна степень свободы — колебательная (колеблется расстояние между составляющими молекулу атомами). С ростом температуры эта степень свободы разорвёт молекулу обратно на отдельные атомы. В более взрослой физике это, ну точнее выражение (i+2)/i, где i — число степеней свободы, называется «показателем адиабаты».
Ну так вот, хитро поставив параболическую стеночку расширяющейся части сопла, об которую будут стучаться летящие «не в ту сторону» молекулы, можно собрать энергию со всех остальных степеней свободы таким образом, чтобы направить эту энергию на одну степень свободы по оси тяги. Принцип тот же самый, что в спутниковых тарелках, работающих на передачу.
Резюмируя, принцип работы сопла в следующем: на входе молекулы, у которых энергия распределена по степеням свободы случайным образом, на выходе — большая часть этой энергии сосредоточена по одной оси. Но это та же самая кинетическая энергия, что и была у исходных молекул, просто её направили в нужное русло.
В химических двигателях источником этой изначальной кинетической энергии является химическая реакция. Тут, видимо, реакция превращения металлического водорода в молекулярный.
Mad__Max
У них водород изначально еще до сжатия был в жидком виде при температуре всего 15 К. После чего плотность за счет сжатия увеличилась в 15 раз при переходе в металлическую форму.
Т.е. получается плотность металлического водорода в 15 раз выше чем у жидкого водорода и примерно в 12 000 раз больше чем у газообразного водорода при н.у.
~ 1050 кг/м?
Легче магния и алюминия получается. Но тяжелее(плотнее) чем например натрий или литий. В общем довольно обычная для металлов плотность.
APLe
vanxant
Ну это да, водород в любой форме взрывоопасен.
APLe
Ну, обычный молекулярный водород, по крайней мере, не сдетонирует, пока с кислородом не смешается. Да и взырв слабее.
vanxant
Любая течь крайне опасна. Водород — газ без цвета и запаха, задетектить очень трудно.
RigelNM
Так же как и природный газ. Разве нельзя примешать другой газ для запаха?
Fagot63
В бытовых условиях и примешивают. А для ракетной техники применяют что то другое.
vanxant
Куда примешать? В металлический водород? Насчёт сплавов метводорода пока, насколько я понимаю, исследований ещё не было.
rPman
даже без без химии, чистая эмульсия (ну или прессованная смесь порошочков)
vvzvlad
Нельзя! Вы таблицу Менделеева видели? Там водород на первом месте. У него, во-первых, атом маленький(один протон, один электрон), во-вторых, реакционная способность высокая. Поэтому даже из состояния газа(H2) водород превращается в атомарный и тупо диффундирует через стенки баллона. Еще и вступает в реакции с этими самыми стенками.
Добавив в водород одорант(какой-нибудь этилмеркаптан, С2H5SH), вы ничего не добьетесь — он останется в баллоне, так как имеет сложную молекулу, а водород прекрасно пройдет через стенки в атомарном виде.
sumanai
Думаю тут про дырки, а не про утечку сквозь материал.
SHVV
В 20 раз больше энергии, чем при сжигании!
Даже если учесть, что водород самое теплоёмкое вещество, температура наверняка будет на порядок больше, чем в водородных ракетах, то есть порядка 30-50 тысяч градусов. И при этом хак с охлаждением сопла самим топливом уже не прокатит.
С другой стороны, это уже плазма, со всеми вытекающими последствиями. То есть вместо сопла Ловаля надо ставить магнитное сопло и получить тот же плазменный двигатель типа VASIMIR-а, только практически без затрат электричества.
Да на нём скорее всего и МГД генератор заработает, позволяя превращать поток плазмы в электрический ток минуя тепловые машины.
vanxant
Воу-воу, при 30-50 тысячах градусов никакой молекулярный водород существовать не может. Равновесие 50/50 молекулярный/атомарный наступает уже при 6000К.
SHVV
Так куда энергия-то денется, если не в нагрев этого самого водорода?
APLe
Подозреваю, это означает, что водород будет превращаться в молекулярный достаточно медленно – скорость синтеза будет такой, что охлаждение за счёт теплопотерь и нагревание за счёт синтеза придут в равновесие.
SHVV
Нет, вы не правильно поняли. При 6000К половина водорода будет молекулярным, а вторая половина — атомарным. Металлический водород тут совершенно ни при чём.
При разрушении металлического водорода его атомы внезапно «понимают», что они находятся на расстоянии в 15 раз ближе, чем должны быть. Электростатическими силами они распинываются друг от друга, достигая огромных скоростей. Атомы весело разлетаются друг от друга фактически минуя молекулярное состояние и образуя плазменное облако с температурой в десятки тысяч градусов. Даже если для инициации такого лавинообразного превращения нужно, чтобы некоторое количество водорода сначала перешло в молекулярное состояние, то конечная температура не даст им оставаться в таком состоянии.
ИМХО, конечно.
APLe
*полез гуглить*
То есть ~218 Мдж/кг, очень близко к приведённой в статье энергии.
Иначе говоря, «в 20 раз» – это без учёта энергии превращения металлического водорода в атомарный.
Осталось понять – это превращение и правда без выделения энергии происходит, или его забыли учесть? o_o
SHVV
Хороший вопрос. Иначе это будет пшик, а не супер-пупер двигатель.
APLe
Просто придётся сопло побольше сделать, чтобы сравнительно неспешно рекомбинирующий водород успевал рекомбинировать до того, как из сопла вылетит.
SHVV
Тогда УИ будет слишком мал. Чем выше температура — тем выше УИ. В VASIMIR-е же не зря плазму греют до мильёна градусов.
APLe
Да? Тогда всё хуже, конечно.
> Чем выше температура — тем выше УИ.
А это относится к случаю, когда температура достаточно низкая, но зато вещество горит долго? Нельзя, скажем, сопло из нескольких ступеней сделать?
Mad__Max
УИ зависит в основном от скорости частиц газа/плазмы. А температура важна только за счет ее связи с этой скоростью. Но скорость зависит не только от температуры но И массы частиц — чем легче, тем выше скорость при той же температуре и выше УИ.
В случае водорода как монотоплива (без окислителя) масса минимально возможная из всех возможных — почти на порядок ниже чем у любых других видов топлива, а температура все-равно выше чем в любых химических реакциях. В результате УИ в таком гипотетическом реактивном двигателе должен быть в разы выше чем у всех существующих. А увеличение УИ в разы это улучшение соотношения масса полезной нагрузки / масса топлива в десятки раз.
Mad__Max
У меня меньше 10к градусов получается. Топливом охлаждать нельзя, но какого-нибудь балластного газа добавить можно пуская его преимущество вдоль стенок и обойтись относительно традиционными решениями.
Балласт при этом не совсем балласт — вклада в энергию он не дает, но дополнительный импульс как и любое другое рабочее тело даст.
SHVV
Это существенно уменьшит УИ и сделает двигатель не сильно лучше чем химические.
Zenitchik
Тут другой прикол: 1) в выхлопе не вода, а молекулярный водород; 2) плотность топлива позволяет увеличить его относительный запас.
Т.е. может и несильно, однако лучше. И задачи для такого двигателя обязательно найдутся.
Mad__Max
Все-равно минимум на порядок лучше химических.
У лучших твердотопливных импульс ниже 300с, у лучших ЖРД на паре керосин+кислород в районе 350с, водород+кислород которые редко применяются где-то до 420-440с может дать.
А водород (без окислителя) разогретый до 6000K может УИ порядка 1800с дать если вдруг окажется возможным его в традиционном реактивном двигателе использовать.
А при 4-4.5 кратном увеличении УИ масса топлива нужная для доставки той же полезной нагрузки снижается уже в десятки раз. А для дальних полетов даже в несколько сотен раз.
Такой гипотетический двигатель будет намного превосходить как любые химические двигатели так и современные ионные/плазменные (если для них как положено считать массу рабочего тела + массу источника энергии, а не только рабочее тело)
SHVV
Вы опять не учли, что надо охлаждать сопло. Так что 1800с не будет — это теоретический предел. На сколько я помню, что-то подобное уже проходили в ядерных двигателях. И там УИ в лучшем случае получался раза в 2 выше, чем у обычных химических двигателей.
Ну можно ещё чуток увеличить за счёт того, что в середине струи температура выше, чем с краю.
Хотя да, благодаря формуле Циолковского, он будет на порядок круче любого химического.
Mad__Max
Да, нужно. Но даже в ЯРД на технологиях 70х годов прошлого века получилось на практике достичь импульса порядка 900с, что где-то в 3 раза лучше хороших химических двигателей того же времени. Это при где-то 1250с УИ теоретических для использовавшегося в двигателе водорода и температуры его нагрева в 3100К
Современные (химические, ядреные давно никто не разрабатывает) намного ближе к теоретическому пределу задаваемому температурой+молекулярной массой рабочего тела подбираются.
См РД0410
И ограничением по дальнейшему увеличению УИ у ЯРД было совсем не охлаждение сопла, а самого реактора. Чтобы водород очень быстро нагревался до 3000К перед поступлением в сопло температура оболочек ядерного топлива от которых он получал тепло должна быть существенно выше этого уровня. А у ядерного топлива внутри этих оболочек — еще выше. Иначе нужной интенсивности теплопереноса не получить.
И дальше наращивать температуру уже нельзя, чтобы не рисковать оплавлением оболочек топливных стержней и/или топливных таблеток в них, что грозит серьезной ядерной аварией.
Тут же греется само топливо и нужно охлаждать только сопло. Например пропуская через стенки(или вдоль стенок) уже самый обычный водород, который забирая энергию будет греться до 2000-3000К и иметь тоже очень неплохой импульс.
Устройство получилось бы явно проще и по всем параметрам лучше чем даже ЯРД. 1800с конечно недостижимая теория, но на что-то уровня 1200-1500с при наличии подобного топлива можно было бы рассчитывать достичь на практике.
Zenitchik
При какой массе двигателя? Вот в том-то и оно.
Как Вы совершенно справедливо заметили, металлический водород, если его удастся хранить, позволит добиться сходных или несколько лучших показателей при меньшей массе двигателя.
lrsi
Отличный боеприпас получится — какраз для гиперзвуковых ракет. И топливо, и взрывчатка в одном флаконе. :)
vanxant
Ну нет, в ядрён-батоне, а тем более в термоядерной спец-бч, плотность энергии на много порядков выше. И даже если брать стандартную химию, то у тротила ~4500 кДж/кг, а тут по оценкам выше всего ~2000 кДж/кг
APLe
Я тут посмотрел Википедию, у тротила ~4 МДж/кг, у атомарного водорода 200 МДж/кг, у атомной бомбы «Малыш» – около 800 МДж/кг заряда.
Если бы плотность энергии тротила была бы выше, чем у атомарного водорода, наши ракеты заправляли бы тротилом, а не керосином, :-).
MTyrz
vanxant
Вы плохо смотрели, у атомарного водорода 200 kДж/кг. Иначе зачем все эти тротилы, если есть водород?
APLe
Неа, 400 кДж/моль, :-). Пруф, например.
Тротилы нужны затем, что атомарный водород крайне неудобен в хранении, :- ).
Я выше уже считал, что приведённая в статье «гигантская энергия превращения металлического водорода в молекулярный» равна энергии превращения атомарного водорода в молекулярный.
Fenyx_dml
Если б это было так, то экспериментаторы разобрали бы свою наковальню, достали из неё лепешку водорода и помяв в руках сразу бы всем сказали — жидкая она или твердая. Или (учитывая температуры), хотя бы иголкой потыкали. А т.к. «они затрудняются», значит как только давление сняли — всё у них рассыпалось и улетучилось. В принципе, возможно что твердое состояние останется при низких температурах (сжать и заморозить), но я тоже сомневаюсь на том основании, что при переходе в молекулярное состояние выделяется «огромное количество энергии». При спонтанном переходе двух соседних атомов в одну молекулу, она так шарахнет по соседним, что пойдет цепная реакция, а учитывая плотности и энергосодержание системы, возможно что какая-то часть в реакцию синтеза ядер вступит. В любом случае, с таким способом добычи до промышленной установки по получению металлического водорода в количестве нескольких десятков-сотен тонн (для заправки одной мало-мальски приличной ракеты-носителя) как до марса на собачих упряжках… У этого эксперимента гораздо более важный смысл — фундаментальные исследования поведения вещества. Зная что рассчеты верны, можно на них полагаться и изобрести что-то практически полезное.
Kardy
в ракету же будет загружаться в 20 раз меньше топлива. Или даже еще меньше — меньше топлива => меньше топлива нужно на подъем самого топлива.
vbif
Вот только как бы баки для этого топлива не оказались бы в 20000 раз тяжелее.
Zergos_Z
Если придать водороду форму проволоки, а потом подавать эту проволоку через охлаждающую камеру в камеру сгорания, то все будет довольно безопасно и без всяких там цепных реакций (это при условии, что металлический водород действительно будет стабильным)
SHVV
Проволоку из жидкого металла сделать проблематично.
APLe
Жидкий впрыскивать тонкой струйкой можно. С теми же результатами.
SHVV
Вообще, на данный момент — это гадание на кофейной гуще. На сколько мягкими должны быть условия квазистабильного металлического водорода — не известно. Может давление можно будет снизить всего в 2-3 раза по отношению к тем 500 ГПа. Тогда вообще ни о каких баках речи быть не может. А уж если он от малейшего колебания будет возвращаться в обычное состояние, то и обращаться с ним придётся похлеще чем с анитиматрией какой-нибудь. А не просто струйкой впрыснуть в сопло.
Mad__Max
Жидкий металл это косяки перевода. Ученые предполагают, что это была твердая фаза металлического водорода, и он должен оставаться твердым до нескольких сотен градусов судя по моделям, но напрямую экспериментально это проверить пока не смогли.
Но по крайней мере сравнили состояния при температурах в диапазоне от 5К до 83К и ничего похожего на фазовый переход твердый-жидкий не обнаружили.
SHVV
Спасибо за картинку. Полезная штука.
APLe
Итого, при нормальных условиях водород металлическим не останется даже в теории.
И почти всё обсуждение этой статьи, соответственно, бессмысленно.
Andy_Big
Если водород остается в состоянии металла при атмосферном давлении, тогда действительно проблемы нет. Я просто не знаю об этом, но предположил, что если для его перехода в металлическую форму требуется такое колоссальное давление, то не сильно меньшее давление требуется и для удержания этой формы. Рад если ошибся :)