Жидкий водород ( H 2 (l) ) — жидкое состояние элемента водорода . Водород встречается в природе в молекулярной форме H 2 . [4]
Чтобы существовать в виде жидкости, H 2 должен быть охлажден ниже критической точки 33 К. Однако, чтобы он находился в полностью жидком состоянии при атмосферном давлении , H 2 необходимо охладить до 20,28 К (-252,87 °C; -423,17 °F). [5] Распространенный метод получения жидкого водорода предполагает использование компрессора , напоминающего реактивный двигатель как по внешнему виду, так и по принципу действия. Жидкий водород обычно используется в качестве концентрированной формы хранения водорода . Хранение его в жидком виде 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 сохранять в жидком состоянии в термоизолированных контейнерах. [6]
Есть два спиновых изомера водорода ; тогда как водород при комнатной температуре в основном состоит из ортоводорода, жидкий водород состоит из 99,79% параводорода и 0,21% ортоводорода. [5]
Водороду теоретически требуется минимум 3,3 кВтч/кг для сжижения и 3,9 кВтч/кг, включая преобразование водорода в пара-изомер, но на практике обычно требуется 10–13 кВтч/кг по сравнению с теплотворной способностью водорода 33 кВтч/кг. [7]
В 1885 году Зигмунт Флорентий Врублевский опубликовал критическую температуру водорода как 33 К (-240,2 ° C; -400,3 ° F); критическое давление — 13,3 стандартных атмосферы (195 фунтов на квадратный дюйм); и 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 Паулем Хартеком и Карлом Фридрихом Бонхеффером в 1929 году.
Два ядра в молекуле диводорода могут иметь два разных спиновых состояния. Параводород, у которого два ядерных спина антипараллельны, более стабилен, чем ортоводород, у которого они параллельны. При комнатной температуре газообразный водород находится в основном в орто-изомерной форме из-за тепловой энергии, но орто-обогащенная смесь метастабильна только при сжижении при низкой температуре. Он медленно подвергается экзотермической реакции , превращаясь в пара-изомер, при этом выделяется достаточно энергии в виде тепла, чтобы заставить часть жидкости закипеть. [8] Чтобы предотвратить потерю жидкости во время длительного хранения, ее намеренно преобразуют в пара-изомер в рамках производственного процесса, обычно с использованием такого катализатора, как оксид железа (III) , активированный уголь , платинированный асбест, редкие земляные металлы, соединения урана, оксид хрома (III) или некоторые соединения никеля. [8]
Жидкий водород является распространенным жидким ракетным топливом для ракетной техники и используется НАСА и ВВС США , которые эксплуатируют большое количество резервуаров с жидким водородом индивидуальной емкостью до 3,8 миллиона литров (1 миллион галлонов США). [9]
В большинстве ракетных двигателей , работающих на жидком водороде, он сначала охлаждает сопло и другие части, а затем смешивается с окислителем, обычно жидким кислородом , и сжигается с образованием воды со следами озона и перекиси водорода . Практические ракетные двигатели H 2 –O 2 работают на таком богатом топливе, что в выхлопных газах содержится некоторое количество несгоревшего водорода. Это уменьшает эрозию камеры сгорания и сопла. Это также снижает молекулярную массу выхлопных газов, что может увеличить удельный импульс , несмотря на неполное сгорание.
Жидкий водород можно использовать в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания или топливного элемента . С использованием этой формы водорода были построены различные подводные лодки, в том числе подводная лодка Тип 212 , подводная лодка Тип 214 и другие, а также концептуальные водородные транспортные средства , такие как DeepC , BMW H2R и другие. Из-за его схожести строители иногда могут модифицировать и использовать оборудование совместно с системами, предназначенными для сжиженного природного газа (СПГ). Жидкий водород исследуется как топливо с нулевым содержанием углерода для самолетов . Из-за меньшей объемной энергии объемы водорода, необходимые для сгорания, велики. Если не используется прямой впрыск , сильный эффект вытеснения газа также затрудняет максимальное дыхание и увеличивает насосные потери.
Жидкий водород также используется для охлаждения нейтронов, которые будут использоваться при рассеянии нейтронов . Поскольку нейтроны и ядра водорода имеют схожие массы, обмен кинетической энергией за взаимодействие максимален ( упругое столкновение ). Наконец, во многих экспериментах с пузырьковой камерой использовался перегретый жидкий водород .
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 присутствие атмосферного азота могут привести к разрыву связей N≡N, образуя токсичные NOx, если не проводить очистку выхлопных газов. [10] Поскольку вода часто считается безвредной для окружающей среды, двигатель, сжигающий ее, можно считать «нулевым уровнем выбросов». 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 г/л (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 меньшую.
Жидкий водород требует технологии криогенного хранения, такой как специальные термоизолированные контейнеры, и требует особого обращения, общего со всем криогенным топливом . Это похоже на жидкий кислород , но более серьезное . Даже в термоизолированных контейнерах трудно поддерживать такую низкую температуру, и водород будет постепенно утекать (обычно со скоростью 1% в день [12] ). Он также имеет многие из тех же проблем безопасности , что и другие формы водорода, а также достаточно холоден, чтобы сжижать или даже затвердевать атмосферный кислород, что может представлять опасность взрыва.
Тройная точка водорода находится при 13,81 К [5] 7,042 кПа. [13]
Из-за низких температур жидкий водород представляет опасность холодовых ожогов . Водород сам по себе биологически инертен, и его единственная опасность для здоровья человека в виде пара — это вытеснение кислорода, приводящее к удушью, а также его очень высокая воспламеняемость и способность детонировать при смешивании с воздухом. Из-за воспламеняемости жидкий водород следует хранить вдали от источников тепла или пламени, если только не предполагается его возгорание. 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 легковоспламеняющиеся воздушно-водородные смеси тяжелее воздуха.