איך מנזלים מימן

מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום. מורכב מפרוטון אחד ואלקטרון אחד, זהו היסוד הקל ביותר הידוע לאנושות - ובשל יכולתו לשאת אנרגיה יחד עם שפע כדור הארץ, מימן עשוי להיות המפתח לכוח נקי ויעיל יותר לְסַפֵּק. עם זאת, בכל הנוגע למשימה של אחסון מימן לשימוש, יש מכשול לנקות: מימן קיים כברירת מחדל כגז אך הוא שימושי ביותר כאשר הוא מאוחסן כנוזל. לרוע המזל, מימן נוזלי אינו קל כמו הפיכת קיטור למים נוזליים. נדרשת עבודה רבה יותר ליצירת מימן נוזלי - אך שיטות לעשות זאת קיימות כמעט 150 שנה, ומדענים מקלים על כל הזמן.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

בעוד שמימן ממוזג בעיקר לאחסון כמויות גדולות של היסוד בבת אחת, מימן נוזלי משמש כקריוגני נוזל קירור, כמרכיב בתאי דלק מתקדמים וכרכיב קריטי בדלק המשמש להפעלת מנועי החלל הסעות. כדי להזרים מימן, יש להביא אותו ללחץ הקריטי ואז לקרר אותו לטמפרטורות מתחת ל 33 מעלות קלווין.

בעוד מדענים עדיין חוקרים דרכים להפוך מימן למקור כוח שימושי ורחב היקף, מימן נוזלי משמש למגוון יישומים. המפורסם ביותר, נאס"א וסוכנויות חלל אחרות משתמשים בשילוב של מימן נוזלי וגזים אחרים כמו חמצן ופלואור להניע רקטות גדולות - ומחוץ לאטמוספירה של כדור הארץ, מימן המאוחסן בצורה נוזלית משמש כמניע להנעת החלל רכבים. על כדור הארץ, מימן נוזלי מצא גם שימוש נרחב כנוזל קירור קריוגני וכרכיב בתאי דלק מתקדמים שעשויים להניע יום אחד מכוניות, בתים ומפעלים.

לא כל האלמנטים מתנהגים אותו הדבר בטווח הטמפרטורות הטבעי, בלחץ האטמוספרי ובכוח המשיכה של כדור הארץ. מים הם ייחודיים בכך שהם יכולים לעבור בין מצבים מוצקים, נוזליים וגזיים בתנאים אלה, אך ברזל הוא מוצק כברירת מחדל - ואילו מימן הוא בדרך כלל גז. ניתן להפוך את המוצקים לנוזלים ולבסוף לגזים על ידי הפעלת חום עד שהיסוד מגיע לנקודת ההיתוך שלו ואז לנקודת הרתיחה, והגזים עובדים הפוך: ללא קשר להרכב היסודות, ניתן להעביר נוזל של גז על ידי קירורו, להפוך אותו לנוזל בנקודת העיבוי ומוצק בנקודת ה קְפִיאָה. כדי לאגור ולהעביר מימן ביעילות לשימוש, ראשית יש להפוך את היסוד הגזי לנוזל, אך אלמנטים כמו מימן הקיימים על פני כדור הארץ כגזים כברירת מחדל אינם יכולים להתקרר רק כדי להפוך אותם נוזלים. תחילה יש ללחוץ על גזים אלה כדי ליצור תנאים שבהם היסוד הנוזלי יכול להתקיים.

נקודת הרתיחה של המימן נמוכה להפליא - בקצת פחות מ -21 מעלות קלווין (בערך -421 מעלות פרנהייט), מימן נוזלי יהפוך לגז. ומכיוון שמימן טהור הוא דליק להפליא, מטעמי בטיחות הצעד הראשון לנוזל המימן הוא להביא אותו ללחץ הקריטי שלו - העיקר שגם אם המימן נמצא בטמפרטורה הקריטית שלו (הטמפרטורה שבה הלחץ לבדו לא יכול להפוך גז לנוזל), הוא ייאלץ לְנַזֵל. מימן נשאב דרך סדרת מעבים, שסתומי מצערת ומדחסים כדי להביא אותו ללחץ של 13 בר, או בערך פי 13 מהלחץ האטמוספרי הרגיל של כדור הארץ. אמנם זה קורה, המקרר מימן כדי לשמור על צורתו הנוזלית.

בעוד שיש תמיד להפעיל לחץ על מימן כדי לשמור על מצב נוזלי, תהליך קירורו כדי לשמור עליו נוזל יכול להיות שונה. ניתן להשתמש ביחידות קירור קטנות ומתמחות, כמו גם מחליפי חום חזקים הפועלים לצד תהליך הלחץ. בלי קשר, יש להביא את גז המימן לפחות ל -33 מעלות קלווין (הטמפרטורה הקריטית של מימן) כדי להפוך לנוזל. יש לשמור על טמפרטורות אלו בכל עת על מנת להבטיח שהמימן הנוזלי יישאר בצורה זו; בטמפרטורות קצת פחות מ -21 מעלות קלווין, מגיעים לנקודת הרתיחה של מימן, והיסוד הנוזלי יתחיל לחזור למצבו הגזי. שמירה על טמפרטורה ולחץ זו היא שגורמת לאחסון, הובלה ושימוש במימן נוזלי להיות כה יקרים כרגע.