Что такое металлический водород (или о возможном прорыве в межпланетных полётах)

   Недавно Хохлов в сообществе  "НОВОЕ ПРО НОВОЕ"  перепечатал интересную статью о получении металлического водорода. Я думаю, что получилось не очень интересно.  Потому что значения статьи (или значения этого научного достижения ) мало кто понял.  Перепечатать каждый сможет, но этого мало. Нужно оценить открытие, нужно понять его значение, а потом попытаься донести это до людей.

   Хохлов, по моему мнению, сам не понял того великого значения, которое сулит человечеству возможность получения мет водорода с теми свойствами, которые описаны в этой статье.

    Я её здесь представлю, а потом расскажу о тех перспективах, которые это открытие даёт человечеству.

  Ученым из Гарварда удалось получить металлический водород

   Изображение алмазных наковален, сжимающих образец молекулярного водорода. При высоком давлении водород переходит в атомарное состояние, как показано справа. Источник: Dias & Silvera, 2017

   В 1935 году ученые Юджин Вигнер и Бэлл Хантингтон предсказали возможность перевода водорода в металлическое состояние под воздействием огромного давления — 250 тысяч атмосфер. Немного позже эта точка зрения была пересмотрена, специалисты повысили оценку давления, которое требуется для фазового перехода. Все это время условия перехода считались достижимыми, и ученые пробовали «взять планку», необходимую для перехода водорода в новую фазу. Впервые металлический водород пытались получить в 1970-х. Повторные попытки были предприняты в 1996, 2008 и 2011 году. Ранее сообщалось, что в 1996 году ученым из Германии удалось на долю микросекунды перевести водород в металлическое состояние, хотя не все согласны с этим.

   Что касается давления, необходимого для получения металлического водорода, то с развитием квантовой механики и физики вообще стало понятно, что давление должно быть примерно в 20 раз более высоким, чем считалось ранее — не 25 ГПа, а 400 или даже 500 ГПа. Считается, что большие количества металлического водорода присутствуют в ядрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и крупных внесолнечных планет. Благодаря гравитационному сжатию под газовым слоем должно находиться ядро из металлического водорода. Понятно, что для того, чтобы получить гигантское давление, нужны особые технологии и методы. Добиться желаемого получилось благодаря использованию двух алмазных наковален. 

   Прочность наковальни была усилена напылением из оксида алюминия, которое оказалось непроницаемым для атомов водорода. Образец водорода был сжат между заостренными концами двух алмазных наковален и при давлении в 495 ГПа ученые добились перехода образца в металлическую фазу.

 

Источник: Dias & Silvera, 2017

   Во всяком случае, образец сначала потемнел, а затем стал отражать свет. При относительно низких показателях давления образец был непрозрачным, ток он не проводил. Эксперимент, проведенный Исааком Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias), был повторным. Впервые добиться перехода водорода в металлическую фазу ученым удалось в середине 2016 года. Но результаты эксперимента нуждались в подтверждении, повторном опыте. Поскольку результаты изначального опыта подтвердились, их можно считать корректными. 

   К текущему результату ученые шли несколько лет. Только на то, чтобы достичь давления, при котором водород разбивается на индивидуальные атомы, у Силвера и Диас ушло три года. Давление, о котором идет речь — 380 ГПа. 

   После этого увеличение давления подразумевало необходимость усиления прочности алмазных наковален, которые использовались в эксперименте. Для этого стали напылять тончайшую пленку из оксида алюминия. Без усиления прочности алмазы, которые являются наиболее твердыми минералами на Земле, начинают разрушаться при увеличении давления выше показателя в 400 ГПа.

   Учеными была проделана большая работа по изучению алмазов. Причин разрушения могло быть несколько — от дефектов структуры кристалла до влияния самого сжатого до огромной плотности водорода. Для того, чтобы решить первую проблему, специалисты тщательным образом проверяли структур кристалла под микроскопом с большим увеличением. «Когда мы просмотрели на алмаз под микроскопом, мы обнаружили дефекты, которые делают этот минерал уязвимым к внешним факторам», — заявил Силвера. Вторая проблема была решена при помощи напыления, противодействующего утечке атомов и молекул водорода. 

   Пока что сложно сказать, какую форму металла получили англичане — твердую или жидкую. Сами они затрудняются сказать, хотя считают, что водород перешел в фазу жидкого металла, поскольку это предсказано расчетами. В чем они уверены, так это в том, что образец водорода после сжатия стал в 15 раз более плотным, чем до начала этой процедуры. Температура водорода, который поместили в алмазную наковальню, составила 15К. После перехода элемента в металлическую фазу его нагрели до 83 К, и он сохранил свои металлические свойства.

Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены. 

   Зачем человеку металлический водород? Считается, что в таком состоянии он проявляет свойства высокотемпературного сверхпроводника. Кроме того, метастабильные соединения металлического водорода могут использоваться в качестве компактного, эффективного и чистого ракетного топлива. Так, при переходе металлического водорода в молекулярную фазу высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода — 216 Мдж/кг.

   «Для получения металлического водорода нам понадобилось огромное количество энергии. А если вы снова переведете атомарный металлический водород в молекулярное состояние, вся эта энергия высвободится, так что мы можем получить самое мощное ракетное топливо в мире, что совершит революцию в ракетостроении», — заявили авторы исследования. По их мнению, новое топливо, при условии его использования, позволит легко достичь других планет. Времени на путешествие к ним будет затрачено гораздо меньше, чем в настоящее время, с использованием современных технологий.  

 ...............................................

 

   А теперь о том, что это даёт человечеству.

   То, что мет водород (МВ) может быть высокотемпературным сверхпроводником (ВСП) , то это меня не впечатляет. Потому что ВСП можно получить и из других материалов и ещё неизвестно, какой из них будет лучше.

   А вот то, что  МВ может быть использован, как ракетное топливо с фантастическими характеристиками -- вот это возможный прорыв для межпланетных путешествий. Если заявленные в статье характеристики МВ подтвердятся и если метастабильное состояние МВ будет устойчиво (я о том, что тротил ведь это тоже метастабильное состояние вещества, а что бывает при выходе его из этого состояния -- мы все хорошо знаем), то это будет тот прорыв, который нужен для быстрых  и неограниченных расстояниями полётов космических кораблей (КК) по всей Солнечной Системе (включая пояс Койпера и Облако Оорта).

   Приведу здесь мой коммент на ту статью:

   "Сейчас, чтобы вывести на НОО орбиту КК массой = 20 тонн, нужно иметь массу при запуске = 700 тонн. А если использовать в качестве ракетного топлива металлич водород, то с такой массой на старте можно будет вывести на НОО корабль массой = 350 тонн. Это что-то!
   Или например, сейчас для полёта на Марс Дракона-2 (масса = 10 тонн) стартовая масса Фалькон-Хэви = 1400 тонн. А при использовании мет водорода масса на старте будет равна 100 тонн всего ( с учётом сухой массы ракеты).
Таким образом, станет возможным легко выводить на НОО ПН=1000 тонн и даже 2000 тонн, что сегодня кажется невозможным.
   Я думаю, что Маска это открытие заинтересовало."

 

   Основные важные свойства МВ, о которых сказано в статье, следующие:

   1. при переходе металлического водорода в молекулярную фазу высвобождается примерно в 20 раз больше энергии, чем при сжигании килограмма смеси кислорода и водорода — 216 Мдж/кг.

   2. образец водорода после сжатия стал в 15 раз более плотным, чем до начала этой процедуры. Температура водорода, который поместили в алмазную наковальню, составила 15К. После перехода элемента в металлическую фазу его нагрели до 83 К, и он сохранил свои металлические свойства. Расчеты показывают, что металлический водород может быть метастабильным, то есть сохранять свои свойства даже после того, как внешние факторы, которые привели к переходу элемента в металлическую фазу, будут ослаблены.

 

   То есть плотность  в15 раз выше и в итоге плотность МВ примерно равна плотности воды, что сокращает необходимый объём для топлива на борту КК.

   Высвобождаемая энергия 1кг МВ =216 Мдж/кг -- вот это главное, что превращает МВ в тот "священный Грааль" для ракетчиков, который решает полностью проблемы полётов ракет  в Солн Системе.

   И тогда не надо делать ядерные реакторы для КК , так как это слишком опасно и по получаемой мощности не даёт того эффекта, который нужен.

  Возможно, что когда-то создадут ТЯДвиг для КК, который решит аналогичные проблемы, но при нынешних темпах это вряд ли будет раньше, чем через 100 лет или 200 лет, да и то для старта с Земли он вряд ли подойдёт.

  Вот ещё что интересно: когда пытались получить МВ, то в ответ на вопрос о том, а зачем это нужно?, отвечали, что это нужно для науки и самое ценное казалось тогда то, что можно сделать ВСП.  А теперь, когда получили МВ и изучили его свойства, то оказалось, что МВ является решением проблемы  полётов в Солн Системе. А проблема-то огромная, так как на существующих ракетных топливах больших скоростей не получишь и много массы не выведешь на НОО и лететь, например, до Юпитера придётся почти  пять лет, о до Плутона даже 20 лет или больше .  А тут такой подарок от МВ, о котором  даже и не думали, что такое возможно.