Hoe waterstof vloeibaar te maken?

Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal. Samengesteld uit één proton en één elektron, is het het lichtste element dat de mensheid kent – ​​en vanwege zijn vermogen om energie samen met zijn overvloed op aarde vervoeren, kan waterstof de sleutel zijn tot een schonere, efficiëntere energie levering. Als het echter gaat om het opslaan van waterstof voor gebruik, moet er een horde worden genomen: waterstof bestaat standaard als gas, maar is het nuttigst wanneer het wordt opgeslagen als een vloeistof. Helaas is het vloeibaar maken van waterstof niet zo eenvoudig als het omzetten van stoom in vloeibaar water. Het kost veel meer werk om vloeibare waterstof te maken, maar methoden om dit te doen bestaan ​​al bijna 150 jaar en wetenschappers maken het steeds gemakkelijker.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Terwijl waterstof voornamelijk vloeibaar wordt gemaakt om grote hoeveelheden van het element tegelijk op te slaan, wordt vloeibare waterstof als cryogeen gebruikt koelvloeistof, als onderdeel van geavanceerde brandstofcellen en als essentieel onderdeel van de brandstof die wordt gebruikt om de motoren van de ruimte aan te drijven pendelbussen. Om waterstof vloeibaar te maken, moet het op zijn kritische druk worden gebracht en vervolgens worden afgekoeld tot temperaturen onder de 33 graden Kelvin.

Terwijl wetenschappers nog steeds manieren onderzoeken om waterstof om te zetten in een bruikbare, grootschalige energiebron, wordt vloeibare waterstof voor verschillende toepassingen gebruikt. Het meest bekend is dat NASA en andere ruimteagentschappen een combinatie van vloeibare waterstof en andere gassen zoals zuurstof en fluor gebruiken om grote raketten aandrijven - en buiten de atmosfeer van de aarde wordt waterstof opgeslagen in vloeibare vorm gebruikt als drijfgas om de ruimte te verplaatsen voertuigen. Op aarde wordt vloeibare waterstof ook wijdverbreid gebruikt als cryogeen koelmiddel en als onderdeel van geavanceerde brandstofcellen die op een dag auto's, huizen en fabrieken kunnen aandrijven.

Niet alle elementen gedragen zich hetzelfde onder het natuurlijke temperatuurbereik, de atmosferische druk en de zwaartekracht van de aarde. Water is uniek omdat het onder deze omstandigheden kan schakelen tussen vaste, vloeibare en gasvormige toestanden, maar ijzer is standaard vast - terwijl waterstof normaal gesproken gas is. Vaste stoffen kunnen worden omgezet in vloeistoffen en uiteindelijk in gassen door warmte toe te passen totdat het element zijn smelt- en kookpunt bereikt, en gassen werken omgekeerd: Ongeacht de elementaire samenstelling kan een gas vloeibaar worden gemaakt door het af te koelen, waarna het vloeibaar wordt op het punt van condensatie en vast wordt op het punt van condensatie. bevriezen. Om waterstof effectief op te slaan en te transporteren voor gebruik, moet het gasvormige element eerst in een vloeistof worden omgezet, maar elementen zoals waterstof die standaard als gassen op aarde bestaan, kunnen niet zomaar worden gekoeld om ze om te zetten in vloeistoffen. Deze gassen moeten eerst onder druk worden gebracht om omstandigheden te creëren waarin het vloeibare element kan bestaan.

Het kookpunt van waterstof is ongelooflijk laag - bij iets minder dan 21 graden Kelvin (ongeveer -421 graden Fahrenheit) zal vloeibare waterstof in een gas veranderen. En omdat pure waterstof ongelooflijk ontvlambaar is, is de eerste stap om waterstof vloeibaar te maken, om het op zijn kritische druk te brengen – het punt waarbij, zelfs als waterstof op zijn kritische temperatuur is (de temperatuur waarbij druk alleen geen gas in een vloeistof kan veranderen), het zal worden gedwongen om vloeibaar maken. Waterstof wordt door een reeks condensors, smoorkleppen en compressoren gepompt om het op een druk van 13 bar te brengen, of ongeveer 13 keer de standaard atmosferische druk van de aarde. Terwijl dit gebeurt, wordt de waterstof gekoeld om deze in vloeibare vorm te houden.

Hoewel waterstof altijd onder druk moet worden gezet om een ​​vloeibare toestand te behouden, kan het proces om het af te koelen om het vloeibaar te houden verschillen. Er kunnen kleine, gespecialiseerde koelunits worden gebruikt, evenals krachtige warmtewisselaars die naast het drukverhogingsproces werken. Hoe dan ook, het waterstofgas moet onder ten minste 33 graden Kelvin (de kritische temperatuur van waterstof) worden gebracht om vloeibaar te worden. Deze temperaturen moeten te allen tijde worden gehandhaafd om ervoor te zorgen dat de vloeibare waterstof in die vorm blijft; bij temperaturen net onder de 21 graden Kelvin bereik je het waterstofkookpunt en begint het vloeibare element terug te keren naar zijn gasvormige toestand. Dit temperatuur- en drukbehoud maakt het opslaan, transporteren en gebruiken van vloeibare waterstof momenteel zo duur.