Wie man Wasserstoff verflüssigt

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Bestehend aus einem Proton und einem Elektron ist es das leichteste Element, das der Menschheit bekannt ist – und aufgrund seiner Fähigkeit, Energie zusammen mit seiner Fülle auf der Erde transportieren, könnte Wasserstoff der Schlüssel zu einer saubereren und effizienteren Energie sein liefern. Bei der Speicherung von Wasserstoff für die Nutzung gibt es jedoch eine Hürde zu nehmen: Wasserstoff existiert standardmäßig als Gas, ist aber am nützlichsten, wenn er als Flüssigkeit gespeichert wird. Leider ist die Verflüssigung von Wasserstoff nicht so einfach wie die Umwandlung von Dampf in flüssiges Wasser. Flüssigen Wasserstoff herzustellen, ist viel aufwändiger – Methoden dazu gibt es aber seit fast 150 Jahren, und Wissenschaftler machen es immer einfacher.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Während Wasserstoff in erster Linie verflüssigt wird, um große Mengen des Elements auf einmal zu speichern, wird flüssiger Wasserstoff als kryogener Kühlmittel, als Bestandteil fortschrittlicher Brennstoffzellen und als wichtiger Bestandteil des Treibstoffs, der zum Antrieb der Weltraummotoren verwendet wird Shuttles. Um Wasserstoff zu verflüssigen, muss er auf seinen kritischen Druck gebracht und dann auf Temperaturen unter 33 Grad Kelvin abgekühlt werden.

Während Wissenschaftler noch nach Wegen suchen, Wasserstoff in eine nützliche, großtechnische Energiequelle zu verwandeln, wird flüssiger Wasserstoff für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet. Am bekanntesten ist, dass die NASA und andere Weltraumbehörden eine Kombination aus flüssigem Wasserstoff und anderen Gasen wie Sauerstoff und Fluor verwenden, um große Raketen antreiben – und außerhalb der Erdatmosphäre wird in flüssiger Form gespeicherter Wasserstoff als Treibstoff verwendet, um den Weltraum zu bewegen Fahrzeuge. Auf der Erde hat flüssiger Wasserstoff auch weit verbreitete Verwendung als kryogenes Kühlmittel und als Bestandteil fortschrittlicher Brennstoffzellen gefunden, die eines Tages Autos, Häuser und Fabriken antreiben können.

Nicht alle Elemente verhalten sich unter dem natürlichen Temperaturbereich, dem atmosphärischen Druck und der Schwerkraft der Erde gleich. Wasser ist insofern einzigartig, als es unter diesen Bedingungen zwischen seinem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand wechseln kann, aber Eisen ist standardmäßig fest – während Wasserstoff normalerweise gasförmig ist. Feststoffe können durch Wärmezufuhr in Flüssigkeiten und schließlich in Gase umgewandelt werden, bis das Element seinen Schmelz- und dann seinen Siedepunkt erreicht, und Gase wirken umgekehrt: Unabhängig von der elementaren Zusammensetzung kann ein Gas verflüssigt werden, indem es abgekühlt wird, an der Kondensationsstelle flüssig und an der Stelle fest wird Einfrieren. Um Wasserstoff effektiv zu speichern und zu transportieren, muss das gasförmige Element zunächst in eine Flüssigkeit umgewandelt werden, aber Elemente wie Wasserstoff, die standardmäßig als Gase auf der Erde existieren, können nicht einfach gekühlt werden, um sie in zu verwandeln Flüssigkeiten. Diese Gase müssen zuerst unter Druck gesetzt werden, um Bedingungen zu schaffen, unter denen das flüssige Element existieren kann.

Der Siedepunkt von Wasserstoff ist unglaublich niedrig – bei knapp 21 Grad Kelvin (ca. -421 Grad Fahrenheit) wird flüssiger Wasserstoff zu einem Gas. Und weil reiner Wasserstoff unglaublich brennbar ist, besteht der erste Schritt zur Verflüssigung von Wasserstoff darin, ihn auf seinen kritischen Druck zu bringen – der Punkt bei der Wasserstoff, selbst wenn er seine kritische Temperatur hat (die Temperatur, bei der Druck allein kein Gas in eine Flüssigkeit verwandeln kann), gezwungen wird, verflüssigen. Wasserstoff wird durch eine Reihe von Kondensatoren, Drosselventilen und Kompressoren gepumpt, um ihn auf seinen Druck von 13 bar zu bringen, das ist ungefähr das 13-fache des normalen Atmosphärendrucks der Erde. Dabei wird der Wasserstoff gekühlt, um ihn in flüssiger Form zu halten.

Während Wasserstoff immer unter Druck gesetzt werden muss, um einen flüssigen Zustand zu erhalten, kann der Prozess des Abkühlens, um ihn flüssig zu halten, unterschiedlich sein. Kleine, spezialisierte Kühlaggregate können ebenso eingesetzt werden wie leistungsstarke Wärmetauscher, die neben dem Druckbeaufschlagungsprozess arbeiten. Unabhängig davon muss das Wasserstoffgas unter mindestens 33 Grad Kelvin (kritische Temperatur von Wasserstoff) gebracht werden, um flüssig zu werden. Diese Temperaturen müssen jederzeit eingehalten werden, damit der flüssige Wasserstoff in dieser Form bleibt; bei Temperaturen knapp unter 21 Grad Kelvin erreicht man den Siedepunkt des Wasserstoffs, und das flüssige Element beginnt, in seinen gasförmigen Zustand zurückzukehren. Diese Temperatur- und Druckhaltung macht die Speicherung, den Transport und die Nutzung von flüssigem Wasserstoff derzeit so teuer.