Жидкий водород ( H 2 (l) ) — это жидкое состояние элемента водорода . Водород встречается в природе в молекулярной форме H 2. [4]
Чтобы существовать в виде жидкости, H2 должен быть охлажден ниже критической точки 33 К. Однако для того, чтобы он находился в полностью жидком состоянии при атмосферном давлении , H2 необходимо охладить до 20,28 К (−252,87 °C; −423,17 °F). [5] Обычный метод получения жидкого водорода включает компрессор , напоминающий реактивный двигатель как по внешнему виду, так и по принципу действия. Жидкий водород обычно используется в качестве концентрированной формы хранения водорода . Хранение его в виде жидкости занимает меньше места, чем хранение в виде газа при нормальной температуре и давлении. Однако плотность жидкости очень низкая по сравнению с другими распространенными видами топлива. После сжижения его можно некоторое время поддерживать в виде жидкости в теплоизолированных контейнерах. [6]
Существует два спиновых изомера водорода : в то время как при комнатной температуре водород в основном представляет собой ортоводород, жидкий водород состоит из 99,79% параводорода и 0,21% ортоводорода. [5]
Для сжижения водорода требуется теоретически минимум 3,3 кВт·ч/кг (12 МДж/кг), а для преобразования водорода в параизомер – 3,9 кВт·ч/кг (14 МДж/кг), но на практике обычно требуется 10–13 кВт·ч/кг (36–47 МДж/кг) по сравнению с теплотворной способностью водорода 33 кВт·ч/кг (119 МДж/кг). [7]
В 1885 году Зигмунт Флорентий Врублевский опубликовал критическую температуру водорода, которая составила 33 К (−240,2 °C; −400,3 °F); критическое давление — 13,3 стандартных атмосфер (195 фунтов на кв. дюйм); а температура кипения — 23 К (−250,2 °C; −418,3 °F).
Водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с помощью регенеративного охлаждения и его изобретения, вакуумной колбы . Первый синтез стабильной изомерной формы жидкого водорода, параводорода, был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Фридрихом Бонхёффером в 1929 году.
Два ядра в молекуле дигидрогена могут иметь два различных спиновых состояния. Параводород, в котором два ядерных спина антипараллельны, более стабилен, чем ортоводород, в котором они параллельны. При комнатной температуре газообразный водород в основном находится в ортоизомерной форме из-за тепловой энергии, но ортообогащенная смесь метастабильна только при сжижении при низкой температуре. Он медленно претерпевает экзотермическую реакцию , становясь параизомером, при этом выделяется достаточно энергии в виде тепла, чтобы вызвать закипание части жидкости. [8] Чтобы предотвратить потерю жидкости во время длительного хранения, ее намеренно преобразуют в параизомер в рамках производственного процесса, обычно с использованием катализатора, такого как оксид железа (III) , активированный уголь , платинированный асбест, редкоземельные металлы, соединения урана, оксид хрома (III) или некоторые соединения никеля. [8]
Жидкий водород является распространённым жидким ракетным топливом для ракетной техники и используется НАСА и ВВС США , которые эксплуатируют большое количество резервуаров с жидким водородом с индивидуальной ёмкостью до 3,8 миллионов литров (1 миллион галлонов США). [9]
В большинстве ракетных двигателей , работающих на жидком водороде, он сначала охлаждает сопло и другие детали, а затем смешивается с окислителем, обычно жидким кислородом , и сжигается для получения воды со следами озона и перекиси водорода . Практические ракетные двигатели H2 – O2 работают на богатом топливе, так что выхлоп содержит некоторое количество несгоревшего водорода. Это уменьшает эрозию камеры сгорания и сопла. Это также снижает молекулярный вес выхлопа, что может увеличить удельный импульс , несмотря на неполное сгорание.
Жидкий водород может использоваться в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания или топливного элемента . Различные подводные лодки, включая подводную лодку Тип 212 , подводную лодку Тип 214 и другие, а также концептуальные водородные транспортные средства были построены с использованием этой формы водорода, такие как DeepC , BMW H2R и другие. Из-за его сходства строители иногда могут модифицировать и совместно использовать оборудование с системами, разработанными для сжиженного природного газа (СПГ). Жидкий водород исследуется как топливо с нулевым содержанием углерода для самолетов . Из-за более низкой объемной энергии объемы водорода, необходимые для сгорания, велики. Если не используется прямой впрыск , сильный эффект вытеснения газа также затрудняет максимальное дыхание и увеличивает потери при перекачке.
Жидкий водород также используется для охлаждения нейтронов, которые используются в рассеянии нейтронов . Поскольку нейтроны и ядра водорода имеют схожие массы, обмен кинетической энергией за взаимодействие максимален ( упругое столкновение ). Наконец, перегретый жидкий водород использовался во многих экспериментах с пузырьковой камерой .
Первая термоядерная бомба « Айви Майк» использовала жидкий дейтерий , также известный как водород-2, для ядерного синтеза.
Продуктом сгорания водорода в среде чистого кислорода является исключительно водяной пар. Однако высокие температуры сгорания и присутствующий атмосферный азот могут привести к разрыву связей N≡N, образуя токсичные NOx, если не производить очистку выхлопных газов. [10] Поскольку вода часто считается безвредной для окружающей среды, двигатель, сжигающий ее, можно считать «нулевым выбросом». Однако в авиации водяной пар, выбрасываемый в атмосферу, способствует глобальному потеплению (в меньшей степени, чем CO 2 ). [11] Жидкий водород также имеет гораздо более высокую удельную энергию , чем бензин, природный газ или дизельное топливо. [12]
Плотность жидкого водорода составляет всего 70,85 кг/м 3 (при 20 К ), относительная плотность всего 0,07. Хотя удельная энергия более чем в два раза выше, чем у других видов топлива, это дает ему удивительно низкую объемную плотность энергии , во много раз ниже.
Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные термоизолированные контейнеры, и требует специального обращения, общего для всех криогенных видов топлива . Это похоже на жидкий кислород , но более серьезно . Даже в термоизолированных контейнерах трудно поддерживать такую низкую температуру, и водород будет постепенно утекать (обычно со скоростью 1% в день [12] ). Он также имеет много тех же проблем безопасности , что и другие формы водорода, а также он достаточно холодный, чтобы сжижать или даже затвердевать атмосферный кислород, что может представлять опасность взрыва.
Тройная точка водорода находится при 13,81 К [5] и 7,042 кПа. [13]
Из-за низких температур жидкий водород представляет опасность для холодных ожогов . Сам водород биологически инертен, и его единственная опасность для здоровья человека в виде пара — это вытеснение кислорода, что приводит к удушью, а также его очень высокая воспламеняемость и способность детонировать при смешивании с воздухом. Из-за своей воспламеняемости жидкий водород следует хранить вдали от тепла или пламени, если только не предполагается его воспламенение. В отличие от газообразного водорода при температуре окружающей среды, который легче воздуха, водород, недавно испарившийся из жидкости, настолько холоден, что тяжелее воздуха и может образовывать воспламеняющиеся смеси воздуха и водорода тяжелее воздуха.