Metaliczny wodór

[pomruk]

Uhonorujmy choć wzmianką ostatnie osiagnięcie! Udało się uzyskać metaliczny wodór. Ponad 80 lat po tym, jak przewidziano jego istnienie! Już nie cząsteczki dwuatomowe - atomy związane wiązaniem metalicznym.
Niewiele tego - na zdjęciach widać skrawek o średnicy 10 mikrometrów i grubości do 1,5 mikrometra, ale zawsze... Gdy po raz pierwszy skroplono powietrze, uzyskano na początku ledwo dostzregalne zamglenie na szkle...
Z własnosci refleksyjnych wynika, że metaliczny. Natomiast nie wiemy na pewno - ciekły? Stały? Metastabilny? Półprzewodnik?
Od tego zależy, czy zrewolucjonizuje technikę i przemysł. Nawet gdyby nie był nadprzewodnikiem i pozostał drogim, wystarczy metastabilność - wykorzystany jako paliwo np. w pojazdach kosmicznych bedzie bardzo wydajny, gdyż przy spalaniu odda dodatkowo pracę włożoną w jego wytworzenie pod ogromnym ciśnieniem...
Oto abstrakt pracy opublikowanej w "Science":
Producing metallic hydrogen has been a great challenge to condensed matter physics. Metallic hydrogen may be a room temperature superconductor and metastable when the pressure is released and could have an important impact on energy and rocketry. We have studied solid molecular hydrogen under pressure at low temperatures. At a pressure of 495 GPa hydrogen becomes metallic with reflectivity as high as 0.91. We fit the reflectance using a Drude free electron model to determine the plasma frequency of 32.5 ± 2.1 eV at T = 5.5 K, with a corresponding electron carrier density of 7.7 ± 1.1 × 10^23 particles/cm^3, consistent with theoretical estimates of the atomic density. The properties are those of an atomic metal. We have produced the Wigner-Huntington dissociative transition to atomic metallic hydrogen in the laboratory.

[fidziaczek]

Czyli paradoksalnie im więcej energii trzeba zużyć na wytworzenie takiego wodoru tym lepiej.
Jeśli mówimy o paliwie rakietowym bo nie jeśli o innych zastosowaniach.
Nie podali gdzies orientacyjnych wartości?

Takie coś było 20 lat temu:
journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.76.1860

[pomruk]

Orientacyjnych wartości, co do tego, ile pracy włożyli? Nie.
Nawiasem mówiac, tekst pracy był już publikowany w arXiv. Nie wywołał wtedy tyle poruszenia, dopiero recenzowana publikacja w Science została przyjeta jako doniesienie godne zauważenia.
arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1610/1610.01634.pdf
Jeśli chodzi o wydajność metalicznego wodoru jako paliwa rakietowego, jego miarą jest impuls właściwy (wyrażany najczęściej w sekundach). Otóż mieszanka nafta/ciekły tlen daje wartość 330 s, ciekły wodór/ciekły tlen 450 s, zaś metaliczny wodór 1700 s (bez spalania, sama przemiana w gaz). Różnica ogromna.

[fidziaczek]

No to chyba nie opłaca się zabierać tlenu do zbiorników bo impuls spadnie.
Tylko ze w sumie wywalenie ogromnych ilosci wodoru do atmosfery bez jego spalenia nie wygląda na bezpieczne wiec pewnie i tak trzeba spalać.
W kazdym razie z takim paliwem można zacząć śmigac po całym układzie słonecznym, a na marsa to już byłaby zupełna łatwizna

[pomruk]

fidziaczek napisał:
> No to chyba nie opłaca się zabierać tlenu do zbiorników bo impuls spadnie.
Zgadza sie. Więc moje sformułowanie z pierwszego postu: "gdyż przy spalaniu odda dodatkowo pracę" nie jest właściwe.
Z ciekawości sprawdziłem, jaki impuls właściwy miały pierwsze testowane silniki jądrowe typu Nerva (ogrzewany reaktorem wodór ciekły). Otóż wynosił on ok. 850 s (w próżni). Najwyraźniej metaliczny wodór może przebić tamte konstrukcje i jest rzeczywiście nader obiecujący w lotach miedzyplanetarnych.

[19grzesiek77]

Nie można by zrobić tak żeby najpierw ten metaliczny wodór przemienił się w gaz uzyskując impuls właściwy 1700 sekund i dodatkowo spalić wodór uzyskując następne 450 s impulsu właściwego?
Nawet przyjmując samą przemianę metalicznego wodoru w gaz i uzyskanie impulsu 1700 sekund- ile kosztowałoby wyprodukowanie dostatecznej ilości tego wodoru dla rakiety pokroju Falcon-9 ?

[fidziaczek]

Problem chyba w tym że musisz zabrać na rakiete dość cięzki tlen i pogorszyć parametry startu.
Późniejszy zysk ze spalania wodoru w tlenie będzie mniejszy niż "koszt" wynoszenia razem z rakietą tlenu w początkowej fazie statu.

[fidziaczek]

Lepiej zamiast zabierać tlen do spalenia wodoru, zabrac po prostu jeszcze wiecej wodoru :)

[mlodavy]

było coś nawet na wyborcza.pl

ciekawa opina uczestnika tego forum Kornel-1

"Cieśliński znów się nie popisał. Komentuje rzeczy, o których ma słabe pojęcie. Już abstrakcie publikacji, na którą się powołuje stoi jak byk, że szacowana na podstawie wsp. odbicia gęstość elektronów wynosi 7.7 ± 1.1 × 10^23 /cm^3, co używając rachunków z gimnazjum odpowiada gęstości fazy 1,27 g/cm^3. Gdyby Cieśliński zajrzał do pełnego tekstu publikacji (dostępnego za darmo w sieci), doczytałby, że autorzy podają, że gęstość nowej fazy jest 15 razy wyższa niż wodoru nie poddanego ciśnieniu (ciekłemu). Stąd znów łatwo określić gęstość fazy SHG jako 1,06 g/cm^3. Więc o jakim super-lekkim metalu tu mowa? Przypomnę, że gęstości litu to 0,535 g/cm^3....
A dalej: co to za banialuki o czterokrotnie większej kaloryczności fazy metalicznej?! Energia rekombinacji atomów wodoru wynosi 216 MJ/kg co jest wartością ponad 20 razy większą niż energia uzyskana ze spalania ciekłego wodoru w tlenie (10 MJ/kg). Pisał o tym przecież Silvera i Cole w "Metallic Hydrogen: The Most Powerful Rocket Fuel Yet to Exist" w... 2009 roku!"

Dla mnie to coś nowego choć są jakieś informacje, że nie gasi się żaru czy pożaru wodą bo to potęguje pożar no właśnie przez rozkład wody na wodór i tlen i dalsze jego spalanie w kółko. Choć wygląda, że "spalanie" wodoru w wodorze jest poza konkurencją energetyczną.

tutaj nawet wygląda, że efekty to prawie jakieś cudo poza oficjalną fizyką

Atomowy piec wodorowy Gdzie jest zysk ?
Otóż, wodór atomowy H łącząc się z drugim H w H2 wydziela ogromną ilość energii, energię ta pobierana jest z pola "energii próżni" zwanej ETEREM. - na dniach postaram się wyjaśnić to zjawisko dokładniej.
W opisanym piecu, nie ma potrzeby ciągłego wytwarzania wodoru, on po prostu jest w obiegu zamkniętym.
W urządzeniu o nazwie generator Mollera ciśnienie wodoru panujące wewnątrz wynosi 0,3 atm, całość jest zasilana stałym pulsacyjnym napięciem. Częstotliwość pulsacji 10MHz, napięce 200-300V.
To Dr. Frołow dopracował urządznie Mollera.
Najważniejsze - urządzenie testowano w wielu laboratoriach i osiągnięto tam zysk - wydajność 2000%

[kornel-1]

mlodavy napisał(a):

> było coś nawet na wyborcza.pl
>
> ciekawa opina uczestnika tego forum Kornel-1

Zwróciłem również uwagę na bezsensowną wypowiedź autora, cyt.: "Ta bajka [o metalu lżejszym od powietrza] jednak ma szansę się spełnić.":

Cytuję siebie: "Aby metaliczny wodór miał gęstość mniejszą niż powietrze trzeba, by odległości między atomami były rzędu nanometrów. Jakie siły miałyby utrzymywać atomy w strukturze tej fazy? W jaki sposób miałoby powstać pasmo przewodnictwa?"

Literatura:
1. Observation of the Wigner - Huntington Transition to Solid Metallic Hydrogen
2. Metallic Hydrogen: The Most Powerful Rocket Fuel Yet To Exist

Kornel

[19grzesiek77]

Mam nadzieje ,że jak się to wszystko potwierdzi(naprawdę uzyskano ten stan wodoru) to będzie można uzyskiwać metaliczny wodór w ilościach wystarczających do zastosowań przemysłowych . Żeby nie było jak z antymaterią:)

[mlodavy]

pomruk napisał:

> Z ciekawości sprawdziłem, jaki impuls właściwy miały pierwsze testowane silniki
> jądrowe typu Nerva (ogrzewany reaktorem wodór ciekły). Otóż wynosił on ok. 85
> 0 s (w próżni). Najwyraźniej metaliczny wodór może przebić tamte konstrukcje i
> jest rzeczywiście nader obiecujący w lotach miedzyplanetarnych.

Impuls właściwy

"Obecnie używane w rakietach nośnych silniki używające jako paliwa ciekłego wodoru, a jako utleniacza ciekłego tlenu, mają impuls właściwy ok. 450 s (lub 4400 m/s), zaś silniki używające jako paliwa nafty, a jako utleniacza ciekłego tlenu, mają impuls właściwy ok. 330 s (lub 3200 m/s). Rakiety na paliwo stałe mają impuls właściwy poniżej 300 s. Silniki opracowany w ramach programu NERVA, w którym energię dostarczał reaktor jądrowy a substancją roboczą był wodór, miał impuls właściwy 850 s. Obecnie używane silniki jonowe mają impuls właściwy rzędu kilku tysięcy sekund."

To nie lepiej jednak te silniki jonowe skoro "metaliczny wodór 1700 s (bez spalania, sama przemiana w gaz)".

Czyli mówiąc po ludzku silnik na sprężone (skroplone czy raczej zmetalizowane) powietrze. ;)

[pomruk]

Porównywałem napędy porównywalne - dające (lub potencjalnie mogące dać) dużą siłę ciągu. Silniki jonowe należą do innej, specyficznej klasy napędów o małej sile ciągu. Oczywiście, mogą być zastosowane do lotów międzyplanetarnych, lecz jedynie w tych przypadkach, gdy uzyskiwane przyspieszenia pojazdu mogą być bardzo małe.

[mlodavy]

Parametr jest ten sam wszystkie te silniki działają na zasadzie wyrzutu-odrzutu masy, *NERVA ma atomowe źródło ciepła do podgrzania masy, a silnik jonowy panele słoneczne stąd mały ciąg, gdyby jonowy miał odpowiednie źródło energii, zabrałby więcej masy do wyrzutu i też miałby odpowiednio większą siłę ciągu.

Tu mamy metal o temperaturze 5,5K czyli jak to metal zwiększą temperaturę do 6K zaczyna topnieć, czyli musi być jakiś termos na dodatek diamentowy. Ale pomijając to jakie jest źródło energii, by ogrzać ten wodorowy metal, nawet jak zamieni się w ciekły wodór który ma kilkanaście razy mniejszą gęstość i temperaturę wrzenia 20K, to taki wodór cząsteczkowy lata dość wolno w temperaturze pokojowej prędkość cząstek gazu powietrza, czyli tlenu czy azotu to ok 300m/s no wodór jest kilkanaście razy lżejszy niż azot, no to ma kilka razy większą prędkość.

Tak czy inaczej to trzeba stopić i podgrzać chyba, że jak wyżej tu było, jakoś po fazie metalicznej sublimowałby zjonizowany i od razu ten zjonizowany wodór łączył by się w H2 w dyszy rakietki, no i to trochę energii jest "Energia rekombinacji atomów wodoru wynosi 216 MJ/kg".

Ale może o coś innego chodzi, jak dla mnie raczej ciekawostka, taka sama jak to, że na Jowiszu jest dużo wodoru metalicznego, można go teoretycznie wydobywać i używać do woli w owych teoretycznych silnikach.

*W silnik NERVA planowano wyposażyć górny stopień rakiety Saturn V. Wyniki testów wykazały wysoki impuls właściwy do Isp = 900 s w próżni (dla porównania silnik J-2 rakiety Saturn V miał Isp = 418 s), jednak nie spełniły pokładanych w programie nadziei. Mimo niskiego impulsu właściwego tradycyjne silniki chemiczne ze względu na swą prostotę, lekkość i niezawodność okazały się znacznie ekonomiczniejszym rozwiązaniem.

[pomruk]

Otóz to: w silniku jonowym mamy problem z dostarczaniem energii z zewnątrz - sam materiał odrzutowy nie posiada żadnej zmagazynowanej energii lub posiada znikomą ilość, stanowi też nie tak dużą część masy systemu odrzutowego. W przypadku metalicznego wodoru mamy sytuację dokładnie odwrotną - ogromna ilość energii jest zmagazynowana w masie, która stanie się masą odrzutową.
Niestety, nie wiemy czy wodór bedzie metastabilnym, nie znamy też warunków w jakich będzie zachodzić przejście z metalicznego stanu w cząsteczkowy gaz. Istnieje możliwość, że silnik będzie prostszy (i mniej groźny) niż NERVA, stąd zainteresowanie. A ze połączy zapewne wielki impuls właściwy z możnoscia uzyskania dużego ciągu...
Co do NERVy, z pewnoscią okazala by się ona MNIEJ kłopotliwa w eksploatacji (pomijając kwestie ewetualnej katastrofy ze skażeniem srodowiska) gdyby doszło do realizacji załogowego lotu na Marsa. W okresie programu "Apollo" zarówno USA jak i ZSRR rozważały serio taki lot w latach 80-tych lub 90-tych. Np. radziecki silnik jądrowy RD-0410 (przetestowany na poligonie w Semipałatyńsku) posiadał impuls właściwy 910 s, pierwszy lot planowano na 1985 rok. Prace nad nim trwały jednak aż do 1994 roku, po upadku ZSRR program skreślono. Z kolei USA traktowały lot na Marsa w kategoriach celu na wypadek, gdyby jednak ZSRR uprzedził ich w załogowym locie na Księżyc.

[petrucchio]

Ja bym poczekał jednak na replikację wyników (i większą precyzję eksperymentu), zwłaszcza biorąc pod uwagę opinie sceptyczne:

www.nature.com/news/physicists-doubt-bold-report-of-metallic-hydrogen-1.21379

But Silvera says that he just wanted to get the news out there before making confirmation tests, which, he says, could break their precious specimen. “We wanted to publish this breakthrough event on this sample,” he says. To preserve the material, he and Dias have kept it in the cryostat; the lab has only two cryostats, and the other is in use for other experiments, he says. “Now that the paper has been accepted, we’re going to do further experiments.”

[pomruk]

Rzeczywiście, powinienem być mniej kategoryczny w stwierdzeniach i ostrożniejszy w entuzjaźmie. Też zachecam do zapoznania się z wątpliwościami wyrażonymi w linku który zamieścił Petrucchio.
Nie tak dawno Asteroida podkreślał, że pojedyncze doniesienie - nawet wiarygodne - nie może być rozstrzygającym.

[pomruk]

entuzjazmie

Tragedia w laboratorium ;-)

[pomruk]

Diament pękł, wodór zniknął. Zawieruszył się czy wyparował? Metastabilny czy nie? Oto jest pytanie...
www.sciencealert.com/the-world-s-only-metallic-hydrogen-sample-has-disappeared

pytanie na marginesie

[w11mil]

"the sample turned from transparent, to dark, and then to shiny and metallic"
Czytałem że metal amorficzny czyli "niekrystaliczny" (czarny) jest przewodnikem. Czy nie jest to sprzeczne z opisem przewodnictwa metali, w którym elektrony walencyjne śmigają poprzez "lattice" zbudowaną z atomów?

[pomruk]

Aby metal przewodził, nie jest konieczne uzyskanie nieskończonej, regularnej sieci krystalicznej (lattice) wyznaczonej przez zręby atomowe (atomy metali pozbawione części elektronów). Doskonałym tego przykładem są metale w stanie ciekłym - choćby rtęć. Wymagana jest jedynie taka struktura elektronowa, takie wzajemne położenie pasm przewodnictwa i pasm walencyjnych, by elektrony mogły się bez większych przeszkód poruszać w obrębie ciekłego czy stałego metalu. Tworzyć "gaz elektronowy" - swoistą chmurę elektronów zdelokalizowaną na cały kryształ czy kroplę cieczy.
Nie traktuj przewodnictwa metali jako faktu, ze elektrony mogą śmigać", gdyż "tunele w sieci" im na to pozwalają. Niestety, tu musimy podejść do tego bardziej od strony energetycznej, nie tylko przestrzennej, że się tak wyrażę.
Tym niemniej przewodnictwo metali amorficznych (najczęściej stopów metali z niemetalami, pierwszym był stop złota z krzemem) mają przewodnictwo wyraźnie mniejsze niż przewodnictwo "zwykłego" metalu - często o rząd lub dwa rzędy mniejsze.

[pomruk]

Dodam tylko, że - jak się pewnie spodziewasz - "zwykły" metal po stopieniu ma jednak mniejsze przewodnictwo. Dotyczy to większości metali, przewodnictwo zmniejsza po stopieniu się tak "pi razy oko" zazwyczaj dwukrotnie, o ile pamiętam.

[w11mil]

pomruk napisał:
> Dodam tylko, że - jak się pewnie spodziewasz - "zwykły" metal po stopieniu ma j
> ednak mniejsze przewodnictwo.
Tu mam kolejne pytania:
Czy elektrony walencyje w metalu są "wspólne" (niezwiązane za atomem) z powodu istnienia struktury krystalicznej?
Czy w stanie ciekłym rozpada się struktura krystaliczna? Jeśli tak, to czy wspolne dotąd elektrony wracają do macierzystych atomów?

[pomruk]

w11mil napisał
> Czy elektrony walencyjne w metalu są "wspólne" (niezwiązane za atomem) z powodu
> istnienia struktury krystalicznej?
Struktura krystaliczna nie jest konieczna dla uwspólnienia elektronów - pokazuje to fakt istnienia metali ciekłych. Mają one nadal cechy charakterystyczne dla istniejącego w ciele "gazu elektronowego" - dobre przewodnictwo elektryczne czy połysk metaliczny.
Struktura krystaliczna jednak ułatwia "wędrówkę" elektronom. Jej ułomności, zanieczyszczenia, dyslokacje, zmniejszają przewodnictwo.
Nawiasem mówiąc, można powiedzieć, że zazwyczaj nie wszystkie elektrony walencyjne tworzą "gaz elektronowy".
> Czy w stanie ciekłym rozpada się struktura krystaliczna?
Tak, rozpada się. Zdecydowanie! Struktura krystaliczna jest charakterystyczna dla ciała stałego. "Klasyczna" struktura krystaliczna - pomijam tzw. ciekłe kryształy, które od "prawdziwych" różnią się znacznie.
> Jeśli tak, to czy wspólne dotąd elektrony wracają do macierzystych atomów?
Nadal są zdelokalizowane, choć ich ruchliwość będzie (zazwyczaj) mniejsza.

[petrucchio]

W ogóle trudno nazwać "śmiganiem" dryf elektronów w przewodniku pod napięciem. Jego typowa prędkość to kilka centymetrów na godzinę.