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 Бонхёффером 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.
Liquid hydrogen can be used as the fuel for an internal combustion engine or fuel cell. Various submarines, including the Type 212 submarine, Type 214 submarine, and others, and concept hydrogen vehicles have been built using this form of hydrogen, such as the DeepC, BMW H2R, and others. Due to its similarity, builders can sometimes modify and share equipment with systems designed for liquefied natural gas (LNG). Liquid hydrogen is being investigated as a zero carbon fuel for aircraft. Because of the lower volumetric energy, the hydrogen volumes needed for combustion are large. Unless direct injection is used, a severe gas-displacement effect also hampers maximum breathing and increases pumping losses.
Liquid hydrogen is also used to cool neutrons to be used in neutron scattering. Since neutrons and hydrogen nuclei have similar masses, kinetic energy exchange per interaction is maximum (elastic collision). Finally, superheated liquid hydrogen was used in many bubble chamber experiments.
The first thermonuclear bomb, Ivy Mike, used liquid deuterium, also known as Hydrogen-2, for nuclear fusion.
The product of hydrogen combustion in a pure oxygen environment is solely water vapor. However, the high combustion temperatures and present atmospheric nitrogen can result in the breaking of N≡N bonds, forming toxic NOx if no exhaust scrubbing is done.[10] Since water is often considered harmless to the environment, an engine burning it can be considered "zero emissions". In aviation, however, water vapor emitted in the atmosphere contributes to global warming (to a lesser extent than CO2).[11] Liquid hydrogen also has a much higher specific energy than gasoline, natural gas, or diesel.[12]
The density of liquid hydrogen is only 70.85 g/L (at 20 K), a relative density of just 0.07. Although the specific energy is more than twice that of other fuels, this gives it a remarkably low volumetric energy density, many fold lower.
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.