هیدروژن مایع یکی از حالت های تجمع هیدروژن است. همچنین حالت گازی و جامد این عنصر وجود دارد. و اگر شکل گازی برای بسیاری شناخته شده باشد، آنگاه دو حالت افراطی دیگر سؤالاتی را ایجاد می کنند.
تاریخ
هیدروژن مایع تنها در دهه سی قرن گذشته به دست آمد، اما قبل از آن، شیمی راه طولانی را در تسلط بر این روش ذخیره سازی و کاربرد گاز پیموده است.
خنک کننده مصنوعی به طور تجربی در اواسط قرن هجدهم در انگلستان استفاده شد. در سال 1984، دی اکسید گوگرد مایع و آمونیاک به دست آمد. بر اساس این مطالعات، بیست سال بعد اولین یخچال ساخته شد و سی سال بعد پرکینز یک پتنت رسمی برای اختراع خود به ثبت رساند. در سال 1851، در آن سوی اقیانوس اطلس، جان گوری مدعی حق ساخت یک دستگاه تهویه مطبوع شد.
هیدروژن تنها در سال 1885 رسید، زمانی که قطب Wroblewski در مقاله خود این واقعیت را اعلام کرد که نقطه جوش این عنصر 23 کلوین، دمای اوج آن 33 کلوین و فشار بحرانی 13 اتمسفر است. پس از این بیانیه، جیمز دوار تلاش کرد تا هیدروژن مایع در آن ایجاد کنددر پایان قرن نوزدهم، اما او ماده پایداری دریافت نکرد.
خواص فیزیکی
این حالت تجمع با چگالی بسیار کم ماده مشخص می شود - صدم گرم در سانتی متر مکعب. این امکان استفاده از ظروف نسبتاً کوچک را برای ذخیره هیدروژن مایع فراهم می کند. نقطه جوش تنها 20 کلوین (252- درجه سانتیگراد) است و این ماده در حال حاضر در 14 کلوین یخ می زند.
این مایع بی بو، بی رنگ و بی مزه است. مخلوط کردن آن با اکسیژن می تواند در نیمی از زمان منجر به انفجار شود. با رسیدن به نقطه جوش، هیدروژن به حالت گاز تبدیل می شود و حجم آن 850 برابر می شود.
پس از مایع شدن، هیدروژن را در ظروف عایق قرار می دهند که در فشار کم و در دمای بین 15 تا 19 کلوین نگهداری می شوند.
فراوانی هیدروژن
هیدروژن مایع به صورت مصنوعی تولید می شود و در محیط طبیعی وجود ندارد. اگر حالات کل را در نظر نگیریم، هیدروژن رایج ترین عنصر نه تنها در سیاره زمین، بلکه در جهان است. ستاره ها (از جمله خورشید ما) از آن تشکیل شده اند، فضای بین آنها پر شده است. هیدروژن در واکنش های همجوشی شرکت می کند و همچنین می تواند ابرها را تشکیل دهد.
در پوسته زمین، این عنصر تنها حدود یک درصد از کل ماده را اشغال می کند. نقش آن در اکوسیستم ما را می‌توان با این واقعیت درک کرد که تعداد اتم‌های هیدروژن از نظر تعداد، پس از اکسیژن در رتبه دوم قرار دارد. تقریباً همه چیز در سیاره ماذخایر H2 در حالت محدود هستند. هیدروژن بخشی جدایی ناپذیر از همه موجودات زنده است.
استفاده
هیدروژن مایع (دمای ۲۵۲- درجه سانتیگراد) به شکل شکلی برای ذخیره بنزین و سایر مشتقات پالایش نفت استفاده می شود. علاوه بر این، مفاهیم حمل و نقل در حال حاضر در حال ایجاد است که می تواند از هیدروژن مایع به عنوان سوخت به جای گاز طبیعی استفاده کند. این امر باعث کاهش هزینه استخراج مواد معدنی با ارزش و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در جو می شود. اما تاکنون، طراحی موتور بهینه پیدا نشده است.
هیدروژن مایع به طور فعال توسط فیزیکدانان به عنوان خنک کننده در آزمایشات خود با نوترون ها استفاده می شود. از آنجایی که جرم ذرات بنیادی و هسته هیدروژن تقریباً برابر است، تبادل انرژی بین آنها بسیار کارآمد است.
مزایا و موانع
هیدروژن مایع اگر به عنوان سوخت خودروها استفاده شود می تواند گرم شدن جو را کاهش دهد و میزان گازهای گلخانه ای را کاهش دهد. هنگامی که با هوا تعامل می کند (پس از عبور از یک موتور احتراق داخلی)، آب و مقدار کمی اکسید نیتروژن تشکیل می شود.
با این حال، این ایده دشواری های خاص خود را دارد، به عنوان مثال، نحوه ذخیره و حمل و نقل گاز و همچنین افزایش خطر اشتعال یا حتی انفجار. حتی با همه اقدامات احتیاطی، نمی توان از تبخیر هیدروژن جلوگیری کرد.
سوخت موشک
هیدروژن مایع (دمای ذخیره تا 20 کلوین) یکی ازاجزای پیشران چندین عملکرد دارد:
- خنک کردن اجزای موتور و محافظت از نازل در برابر گرمای بیش از حد.
- تامین نیروی رانش پس از اختلاط با اکسیژن و حرارت دادن.
موتورهای موشکی مدرن با ترکیب هیدروژن و اکسیژن کار می کنند. این به دستیابی به سرعت مناسب برای غلبه بر گرانش زمین کمک می کند و در عین حال تمام قسمت های هواپیما را در معرض دمای بیش از حد قرار نمی دهد.
در حال حاضر، تنها یک موشک وجود دارد که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می کند. در بیشتر موارد، هیدروژن مایع برای جداسازی مراحل بالای موشک ها یا در دستگاه هایی که بیشتر کار را در خلاء انجام می دهند، مورد نیاز است. پیشنهاداتی از سوی محققان برای استفاده از شکل نیمه منجمد این عنصر برای افزایش چگالی آن ارائه شده است.
