Вещества

Показанное на изображении устройство камера высокого давления с алмазными наковальнями используется для применения давления к лабораторным образцам.

Что, если я скажу, что существует материал, который может стать самым мощным в мире ракетным топливом с удельной энергией, в двадцать раз превышающей удельную энергию двигателей Space Shuttle? Или что этот же материал может стать первым в мире веществом, проявляющим свойства сверхпроводимости при комнатной температуре, и что, если данная технология будет реализована, это будет такой гигантский шаг вперёд, что компьютеры станут в тысячи раз мощнее, чем сегодня? Этот прорыв поможет нам, наконец, воплотить вековую мечту человечества о ядерной энергетике. Применение такого материала не только сделало бы нынешние энергетические установки более безопасными и эффективными, но и полностью преобразили бы такие отрасли, как медицина и транспорт. Впервые гипотеза о возможности существования такого вещества была выдвинута ещё в 1935 году. И с тех пор учёные, не жалея времени и сил, пытаются проложить пути к его созданию. Сегодня мы, возможно, стали на шаг ближе к созданию такого вещества.

---

Всё, как всегда и везде, начинается с водорода. Водород пронизывает всю Вселенную. Это самый распространённый из всех химических элементов его молекула состоит всего из одного протона и одного электрона. Однако если водород в газовом состоянии это элементарно простое вещество, то при переходе из одного состояния в другое его сложность возрастает многократно. Доказательство этому колоссальное вращающееся образование диаметром 8000 миль, располагающееся под облачными вершинами Юпитера самый гигантский океан в Солнечной системе. Давления, образующегося в глубинах планеты, достаточно для того, чтобы нарушить связи между протонами и электронами и перевести элемент в новое необычное состояние: не в плазму, не в газ, а в жидкий металлический водород.

Ключевое слово здесь металлический. Теория 1935 года предсказала, что при достаточно высоком давлении водород будет проявлять свойства металла, по мере распада молекул на составляющие части превращаясь в электрический проводник. Металлы также характеризуются ярко выраженным блеском и прочностью, другими словами, обычный прозрачный газообразный водород станет непрозрачным.

Но что отличает металлический водород, например, от расплавленного золота? Разница в том, что металлы имеют решётку на атомном уровне. Решётка формируется из ионов, окруженных свободно движущимися электронами. Металлический водород не в состоянии сформировать такую решетку, так как у водорода нет ничего, кроме одного протона, и поэтому для формирования решётки у него не хватает составных частиц. И именно по этой причине металлический водород получает множество уникальных свойств.

Под насыщенной парами поверхностью Юпитера простирается загадочно переливающийся разными цветами океан жидкого металлического водорода с причудливыми завихрениями. Изображение NASA.

Считается, что водород в металлическом состоянии может быть метастабильным, другими словами, он остаётся металлическим даже при снижении давления до нормального уровня. Картина напоминает ту, когда для того чтобы превратить углерод в алмаз, необходимо приложить огромное давление, но, если после этого убрать давление, алмаз не превратится опять в углерод, а будет оставаться алмазом. Однако на практике метастабильность металлического водорода мы проверить пока не можем, так как на Земле нет образцов металлического водорода. Правда, в своё время группа учёных из Гарварда утверждала, что им удалось создать такое вещество в лаборатории, но искомый образец исчез до того, как можно было провести его дальнейший анализ. Нет необходимости говорить о том, что к заявлениям, сделанным этими учёными, следует относиться весьма критически.

Тем не менее в прошлом году в журнале Nature были опубликованы результаты новых, более перспективных исследований.

Чтобы оказать давление на лабораторные образцы, использовалась камера высокого давления с алмазными наковальнями. Водород окружается тонким листом из металлической фольги, и эта конструкция фиксируется между двумя алмазными наковальнями, после чего на образец оказывается давление. Изображение J. Adam Fenster / Университет Рочестера.

Вначале исследовательская группа приступила к экспериментам, применяя небольшое давление (измеряемое в гигапаскалях, ГПа) к образцу плотного водорода. Водород оставался прозрачным как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Как было сказано выше, отличительными особенностями металлов являются их блеск и непрозрачность. Однако, когда давление было увеличено до 300 ГПа, образец перестал быть прозрачным в видимом спектре. Затем давление на образец постепенно увеличивалось до 400 ГПа и выше, то есть в 4 миллиона раз больше земного атмосферного давления. Когда давление увеличилось до 425 ГПа, образец перестал быть прозрачным в инфракрасном спектре. Водород стал отражать свет, то есть получил новое свойство, и это заставило исследователей поверить в то, что образец плотного водорода перешёл в долгожданное металлическое состояние.

По мере повышения давления образец водорода начал проявлять новые свойства при взаимодействии с инфракрасным и видимым светом. Изображение Paul Loubeyre.

Фазовый сдвиг образца был обратимым, хотя у исследователей нет уверенности, что при давлениях выше 425 ГПа водород сохранил бы металлические свойства. Используя существующие технологии, измерения свойств образцов водорода в экстремальных условиях (например, под большими давлениями или при низких температурах) проводить практически невозможно. По этой причине исследователи также не смогли измерить электропроводность образца результаты таких измерений могли бы дать неопровержимые доказательства наличия металлического водорода. Даже вычислительные методы, прогнозирующие значения давления, при котором водород переходит в металлическое состояние, нельзя считать точными, так как мы не можем заложить в компьютерную модель необходимые поправки на квантовом уровне.

Тем не менее указанное исследование можно расценивать как лучшее доказательство того, что водород способен переходить в металлическое состояние. Если учёным действительно удастся создать металлический водород, такое вещество появится на нашей планете впервые в её истории. И это может произойти ещё при нашей жизни.

Основные проблемы, которые предстоит решить, будут касаться измерения параметров электрической проводимости и сопротивления металлического водорода. Это поможет понять, сможет ли этот элемент реализовать свой потенциал и, возможно, стать одним из самых ценных веществ на Земле.

Внутренняя часть резервуара с жидким водородом. Изображение NASA.

Идеально было бы использовать металлический водород в качестве ракетного топлива, так как он лёгкий и занимает малый объём. Преобразование металлического водорода обратно в молекулярный водород позволит высвобождать огромное количество энергии, сопоставимое с той энергией, которая изначально потребовалась бы для создания металлического водорода, и это превратило бы металлический водород в сверхмощное горючее, которое сможет совершить революцию в ракетостроении. Для сравнения: удельный импульс (показатель того, насколько быстро ракетное топливо выбрасывается из задней части космического корабля, а также показатель эффективности космического снаряда) используемых в настоящее время ракет составляет около 450 секунд. Удельный импульс ракет на металлическом водороде оценивается в 1700 секунд. Другими словами, выводимые на орбиту ракеты смогут иметь не две ступени, а всего одну, что позволит значительно увеличить полезную нагрузку ракет.

Таким образом, использование металлического водорода позволит нам более уверенно исследовать соседние миры и одновременно обеспечит долгожданный прогресс на нашей собственной планете будут разработаны новые технологии хранения и передачи энергии, и кардинальные изменения претерпят устройства, которыми мы пользуемся в повседневной жизни. И, если исследования, подобные проведённым в прошлом году, продолжатся, теоретическая возможность создания металлического водорода превратится в практическую. Это открытие может стать одним из самых важных за всю историю человечества.

Узнайте подробности, как получить Level Up по навыкам и зарплате или востребованную профессию с нуля, пройдя онлайн-курсы SkillFactory со скидкой 40% и промокодомHABR, который даст еще +10% скидки на обучение.

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

Другие профессии и курсы