Kaip suskystinti vandenilį

Vandenilis yra gausiausias visatos elementas. Jį sudaro vienas protonas ir vienas elektronas, jis yra lengviausias žmonijai žinomas elementas ir dėl savo sugebėjimo pernešti energiją kartu su jos gausa Žemėje, vandenilis gali būti raktas į švaresnę ir efektyvesnę energiją tiekimas. Tačiau kalbant apie vandenilio saugojimą naudojimui, reikia pašalinti kliūtį: Pagal numatytuosius nustatymus vandenilis egzistuoja kaip dujos, tačiau naudingiausias yra laikomas kaip skystis. Deja, suskystinti vandenilį nėra taip paprasta, kaip garą paversti skystu vandeniu. Norint sukurti skystą vandenilį, reikia daug daugiau darbo, tačiau metodai tai padaryti egzistuoja beveik 150 metų, o mokslininkai visą laiką tai palengvina.

TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)

Nors vandenilis pirmiausia suskystinamas dideliems elemento kiekiams laikyti, skystasis vandenilis naudojamas kaip kriogeninis aušinimo skystis, kaip pažangių kuro elementų komponentas ir kaip kritinė kuro, naudojamo kosmoso varikliams varyti, sudedamoji dalis pervežimai. Norint suskystinti vandenilį, jis turi būti pasiektas kritinio slėgio ir atvėsintas iki žemesnės nei 33 laipsnių Kelvino temperatūros.

Nors mokslininkai vis dar tiria būdus, kaip vandenilį paversti naudingu, didelio masto energijos šaltiniu, skystasis vandenilis naudojamas įvairiems tikslams. Labiausiai žinoma, kad NASA ir kitos kosmoso agentūros naudoja skysto vandenilio ir kitų dujų, tokių kaip deguonis ir fluoras, derinį varo dideles raketas - o už Žemės atmosferos skystoje formoje sukauptas vandenilis naudojamas kaip varomasis elementas kosmoso judėjimui transporto priemonių. Žemėje skystas vandenilis taip pat plačiai naudojamas kaip kriogeninis aušinimo skystis ir kaip pažangių kuro elementų komponentas, kuris vieną dieną gali varyti automobilius, namus ir gamyklas.

Ne visi elementai elgiasi vienodai esant natūraliam Žemės temperatūros diapazonui, atmosferos slėgiui ir žemės traukai. Vanduo yra unikalus tuo, kad esant tokioms sąlygoms gali pasikeisti kietosios, skystosios ir dujinės būsenos, tačiau pagal nutylėjimą geležis yra kieta, o vandenilis paprastai yra dujos. Kietąsias medžiagas galima paversti skysčiais ir galiausiai dujomis, kaitinant šilumą, kol elementas pasieks lydymosi ir virimo temperatūrą, o dujos veiks atvirkščiai: Nepriklausomai nuo elementinės sudėties, dujos gali būti suskystintos jas atvėsinus, kondensacijos vietoje paverčiant skystomis, o sušalimas. Norint efektyviai kaupti ir transportuoti vandenilį, dujinis elementas pirmiausia turi būti paverstas skysčiu, bet tokie elementai kaip vandenilis, kurie pagal nutylėjimą egzistuoja Žemėje kaip dujos, negali būti tiesiog atvėsinti, kad jais paverstų skysčiai. Pirmiausia šioms dujoms turi būti daromas slėgis, kad būtų sudarytos sąlygos skystam elementui egzistuoti.

Vandenilio virimo temperatūra yra nepaprastai žema - skystas vandenilis virsta dujomis esant šiek tiek žemesniam nei 21 laipsnio Kelvino laipsniui (maždaug –421 laipsniai pagal Celsijų). Kadangi grynas vandenilis yra nepaprastai degi, saugumo sumetimais pirmas žingsnis skystinant vandenilį yra jo kritinis slėgis - taškas kurioje, net jei vandenilis yra kritinėje temperatūroje (temperatūroje, kurioje vien slėgis negali paversti dujų skysčiu), jis bus priverstas suskystinti. Vandenilis pumpuojamas per keletą kondensatorių, droselio vožtuvų ir kompresorių, kad jo slėgis būtų 13 barų arba apytiksliai 13 kartų didesnis už standartinį Žemės atmosferos slėgį. Kol tai įvyksta, vandenilis yra aušinamas, kad jis liktų skystas.

Nors vandenilis visada turi būti slėgis, kad būtų išlaikyta skysta būsena, jo aušinimo procesas norint išlaikyti skystį gali skirtis. Galima naudoti mažus, specializuotus aušinimo įrenginius, taip pat galingus šilumokaičius, kurie veikia kartu su slėgio procesu. Nepaisant to, vandenilio dujos turi būti sumažintos ne žemesnėje kaip 33 laipsnių Kelvino (kritinėje vandenilio temperatūroje) temperatūroje, kad taptų skysta. Šias temperatūras reikia nuolat palaikyti, kad skystasis vandenilis išliktų tokios formos; esant šiek tiek žemesnei nei 21 laipsnio Kelvino temperatūrai, pasieksite vandenilio virimo temperatūrą, o skystas elementas pradės grįžti į dujinę būseną. Dėl šios temperatūros ir slėgio palaikymo skystojo vandenilio laikymas, transportavimas ir naudojimas šiuo metu yra toks brangus.