Come liquefare l'idrogeno

L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo. Composto da un protone e un elettrone, è l'elemento più leggero conosciuto dall'umanità – e grazie alla sua capacità di trasportare energia insieme alla sua abbondanza sulla Terra, l'idrogeno potrebbe essere la chiave per un'energia più pulita ed efficiente fornitura. Tuttavia, quando si tratta di immagazzinare l'idrogeno per l'uso, c'è un ostacolo da superare: l'idrogeno esiste come gas per impostazione predefinita, ma è più utile se conservato come liquido. Sfortunatamente, liquefare l'idrogeno non è facile come trasformare il vapore in acqua liquida. Ci vuole molto più lavoro per creare idrogeno liquido, ma i metodi per farlo esistono da quasi 150 anni e gli scienziati lo rendono sempre più facile.

TL; DR (troppo lungo; non ho letto)

Mentre l'idrogeno viene liquefatto principalmente per immagazzinare grandi quantità dell'elemento contemporaneamente, l'idrogeno liquido viene utilizzato come criogenico refrigerante, come componente di celle a combustibile avanzate e come componente critico del carburante utilizzato per alimentare i motori dello spazio navette. Per liquefare l'idrogeno, deve essere portato alla sua pressione critica e poi raffreddato a temperature inferiori a 33 gradi Kelvin.

Mentre gli scienziati stanno ancora ricercando modi per trasformare l'idrogeno in una fonte di energia utile e su larga scala, l'idrogeno liquido viene utilizzato per una varietà di applicazioni. La cosa più famosa è che la NASA e altre agenzie spaziali utilizzano una combinazione di idrogeno liquido e altri gas come ossigeno e fluoro per alimentare grandi razzi - e al di fuori dell'atmosfera terrestre, l'idrogeno immagazzinato in forma liquida viene utilizzato come propellente per spostare lo spazio veicoli. Sulla Terra, l'idrogeno liquido ha anche trovato un uso diffuso come refrigerante criogenico e come componente di celle a combustibile avanzate che un giorno potrebbero alimentare automobili, case e fabbriche.

Non tutti gli elementi si comportano allo stesso modo nell'intervallo di temperatura naturale, pressione atmosferica e gravità della Terra. L'acqua è unica in quanto può spostarsi tra i suoi stati solido, liquido e gassoso in queste condizioni, ma il ferro è solido per impostazione predefinita, mentre l'idrogeno è normalmente gas. I solidi possono essere trasformati in liquidi e infine in gas applicando calore fino a quando l'elemento raggiunge il punto di fusione e poi di ebollizione, e i gas funzionano al contrario: Indipendentemente dalla composizione elementare, un gas può essere liquefatto raffreddandolo, trasformandosi in liquido nel punto di condensazione e solido nel punto di congelamento. Per immagazzinare e trasportare efficacemente l'idrogeno per l'uso, l'elemento gassoso deve prima essere trasformato in un liquido, ma elementi come l'idrogeno che esistono sulla Terra come gas per impostazione predefinita non possono essere semplicemente raffreddati per trasformarli in liquidi. Questi gas devono essere prima pressurizzati, per creare le condizioni in cui può esistere l'elemento liquido.

Il punto di ebollizione dell'idrogeno è incredibilmente basso: a poco meno di 21 gradi Kelvin (circa -421 gradi Fahrenheit), l'idrogeno liquido si trasformerà in un gas. E poiché l'idrogeno puro è incredibilmente infiammabile, per motivi di sicurezza il primo passo per liquefare l'idrogeno è portarlo alla sua pressione critica - il punto alla quale, anche se l'idrogeno è alla sua temperatura critica (la temperatura alla quale la pressione da sola non può trasformare un gas in un liquido), sarà costretto a liquefare. L'idrogeno viene pompato attraverso una serie di condensatori, valvole a farfalla e compressori per portarlo alla sua pressione di 13 bar, o circa 13 volte la pressione atmosferica standard della Terra. Mentre ciò accade, l'idrogeno viene raffreddato per mantenerlo nella sua forma liquida.

Mentre l'idrogeno deve essere sempre pressurizzato per mantenere uno stato liquido, il processo di raffreddamento per mantenerlo liquido può variare. Possono essere utilizzate piccole unità di raffreddamento specializzate, così come potenti scambiatori di calore che lavorano insieme al processo di pressurizzazione. Indipendentemente da ciò, il gas idrogeno deve essere portato sotto almeno 33 gradi Kelvin (temperatura critica dell'idrogeno) per diventare un liquido. Queste temperature devono essere mantenute in ogni momento per garantire che l'idrogeno liquido rimanga in quella forma; a temperature di poco inferiori ai 21 gradi Kelvin si raggiunge il punto di ebollizione dell'idrogeno, e l'elemento liquido comincerà a tornare allo stato gassoso. Questo mantenimento della temperatura e della pressione è ciò che rende lo stoccaggio, il trasporto e l'utilizzo dell'idrogeno liquido così costoso al momento.