Hur flytande väte

Väte är det vanligaste elementet i universum. Sammansatt av en proton och en elektron är det det lättaste elementet som är känt för mänskligheten - och på grund av dess förmåga att bär energi tillsammans med dess överflöd på jorden, kan väte vara nyckeln till en renare, effektivare kraft tillförsel. Men när det gäller uppgiften att lagra väte för användning finns det ett hinder att rensa: Väte finns som en gas som standard men är mest användbart när det lagras som en vätska. Tyvärr är flytande väte inte lika lätt som att förvandla ånga till flytande vatten. Det krävs mycket mer arbete för att skapa flytande väte - men metoder för att göra det har funnits i nästan 150 år, och forskare gör det lättare hela tiden.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Medan väte flytande främst för att lagra stora mängder av grundämnet på en gång används flytande väte som kryogeniskt kylvätska, som en komponent i avancerade bränsleceller och som en kritisk komponent i det bränsle som används för att driva rymdmotorerna skyttlar. För att smälta väte måste det bringas till sitt kritiska tryck och sedan kylas ner till temperaturer under 33 grader Kelvin.

Medan forskare fortfarande undersöker sätt att omvandla väte till en användbar, storskalig kraftkälla används flytande väte för en mängd olika applikationer. Mest känt använder NASA och andra rymdorganisationer en kombination av flytande väte och andra gaser som syre och fluor till driver stora raketer - och utanför jordens atmosfär används väte som lagras i flytande form som drivmedel för att flytta rymden fordon. På jorden har flytande väte också funnits i stor utsträckning som ett kryogent kylvätska och som en komponent i avancerade bränsleceller som en dag kan driva bilar, hem och fabriker.

Inte alla element beter sig lika under jordens naturliga temperaturområde, atmosfärstryck och gravitation. Vatten är unikt genom att det kan växla mellan dess fasta, flytande och gasformiga tillstånd under dessa förhållanden, men järn är fast som standard - medan väte normalt är gas. Fasta ämnen kan förvandlas till vätskor och slutligen gaser genom att applicera värme tills elementet når sin smält- och kokpunkt, och gaserna fungerar i omvänd riktning: Oavsett grundkomposition kan en gas kondenseras genom att kyla den, förvandlas till vätska vid kondensationspunkten och fast vid punkten för frysning. För att effektivt lagra och transportera väte för användning måste det gasformiga elementet först förvandlas till en vätska, men element som väte som finns på jorden som gaser som standard kan inte bara kylas för att förvandla dem till vätskor. Dessa gaser måste först sättas under tryck för att skapa förhållanden där det flytande elementet kan existera.

Väteens kokpunkt är otroligt låg - vid knappt 21 grader Kelvin (ungefär -421 grader Fahrenheit) kommer flytande väte att förvandlas till en gas. Och eftersom rent väte är oerhört brandfarligt är det första steget att vätska väte att bringa det till sitt kritiska tryck - poängen även om väte har sin kritiska temperatur (den temperatur vid vilken trycket ensamt inte kan förvandla en gas till en vätska) kommer den att tvingas smälta. Väte pumpas genom en serie kondensorer, strypventiler och kompressorer för att få det till ett tryck på 13 bar, eller ungefär 13 gånger jordens vanliga atmosfärstryck. Medan detta inträffar kyls väte för att hålla det i sin flytande form.

Medan väte alltid måste vara under tryck för att bibehålla ett flytande tillstånd, kan processen att kyla ner det för att hålla det flytande variera. Små specialiserade kylaggregat kan användas, liksom kraftfulla värmeväxlare som arbetar tillsammans med tryckprocessen. Oavsett måste vätgasen bringas under minst 33 grader Kelvin (väteens kritiska temperatur) för att bli en vätska. Dessa temperaturer måste alltid upprätthållas för att säkerställa att flytande väte förblir i den formen; vid temperaturer strax under 21 grader Kelvin når du vätekokpunkten och det flytande elementet börjar återgå till sitt gasformiga tillstånd. Detta temperatur- och tryckunderhåll är det som gör lagring, transport och användning av flytande väte så dyrt just nu.