Kako utekočiniti vodik

Vodik je najbolj razširjen element v vesolju. Sestavljen iz enega protona in enega elektrona, je najlažji element, ki ga pozna človeštvo - in zaradi svoje sposobnosti Vodik je lahko ključ do čistejše in učinkovitejše energije, skupaj z obilico energije na Zemlji ponudbe. Ko gre za nalogo shranjevanja vodika za uporabo, je treba odstraniti oviro: Vodik privzeto obstaja kot plin, vendar je najbolj uporaben, če je shranjen v tekočini. Na žalost utekočinjanje vodika ni tako enostavno kot pretvorba pare v tekočo vodo. Za ustvarjanje tekočega vodika je treba veliko več dela, vendar metode za to obstajajo že skoraj 150 let, znanstveniki pa to ves čas olajšujejo.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Medtem ko je vodik utekočinjen predvsem za shranjevanje večjih količin elementa naenkrat, se tekoči vodik uporablja kot kriogen hladilna tekočina, kot komponenta naprednih gorivnih celic in kot kritična komponenta goriva, ki se uporablja za pogon vesoljskih motorjev čolni. Za utekočinjanje vodika ga je treba pripeljati do kritičnega tlaka in nato ohladiti na temperature pod 33 stopinj Kelvina.

Medtem ko znanstveniki še vedno raziskujejo načine, kako vodik spremeniti v uporaben obsežen vir energije, se tekoči vodik uporablja za različne namene. Najbolj znano je, da NASA in druge vesoljske agencije uporabljajo kombinacijo tekočega vodika in drugih plinov, kot sta kisik in fluor poganja velike rakete - in zunaj Zemljine atmosfere se vodik, shranjen v tekoči obliki, uporablja kot pogonsko gorivo za premikanje vesolja vozil. Na Zemlji se je tekoči vodik razširil tudi kot kriogena hladilna tekočina in kot sestavni del naprednih gorivnih celic, ki bodo nekoč lahko poganjale avtomobile, domove in tovarne.

V naravnem temperaturnem območju, atmosferskem tlaku in gravitaciji Zemlje se vsi elementi ne obnašajo enako. Voda je edinstvena po tem, da se v teh pogojih lahko premika med trdnim, tekočim in plinovitim stanjem, vendar je železo privzeto trdno - medtem ko je vodik običajno plin. Trdne snovi lahko s pomočjo toplote pretvorimo v tekočine in nazadnje v pline, dokler element ne doseže tališča in nato vrelišča, plini pa delujejo obratno: Ne glede na elementarno sestavo lahko plin utekočinimo tako, da ga ohladimo, na mestu kondenzacije postane tekoč in v točki trden zmrzovanje. Za učinkovito shranjevanje in transport vodika za uporabo je treba plinasti element najprej spremeniti v tekočino, toda elementov, kot je vodik, ki obstajajo na Zemlji kot plini privzeto, ni mogoče le ohladiti, da se v njih spremenijo tekočine. Ti plini morajo biti najprej pod tlakom, da se ustvarijo pogoji, v katerih lahko tekoči element obstaja.

Vrelišče vodika je neverjetno nizko - pri slabih 21 stopinjah Kelvina (približno -421 stopinj Celzija) se bo tekoči vodik spremenil v plin. In ker je čisti vodik neverjetno vnetljiv, je zaradi varnosti prvi korak k utekočinjenju vodika ta, da ga pripeljemo do kritičnega tlaka - bistvo pri kateri bo, tudi če je vodik na svoji kritični temperaturi (temperatura, pri kateri sam tlak ne more spremeniti plina v tekočino), prisiljen utekočinjen. Vodik se črpa skozi vrsto kondenzatorjev, dušilnih ventilov in kompresorjev, da doseže tlak 13 barov ali približno 13-krat več od običajnega zemeljskega atmosferskega tlaka. Medtem ko se to zgodi, se vodik ohlaja, da ostane v tekoči obliki.

Medtem ko mora biti vodik vedno pod pritiskom, da ohrani tekoče stanje, se postopek hlajenja, da ostane tekoč, lahko razlikuje. Uporabljajo se lahko majhne, ​​specializirane hladilne enote, pa tudi močni izmenjevalniki toplote, ki delujejo skupaj s postopkom tlačenja. Ne glede na to je treba plin vodik spraviti pod najmanj 33 stopinj Kelvina (kritična temperatura vodika), da postane tekočina. Te temperature je treba ves čas vzdrževati, da zagotovimo, da tekoči vodik ostane v tej obliki; pri temperaturah pod 21 stopinjami Kelvina dosežete vrelišče vodika in tekoči element se začne vračati v plinasto stanje. Zaradi vzdrževanja temperature in tlaka je trenutno shranjevanje, transport in uporaba tekočega vodika tako drago.