Жидкий водород: свойства и применение

Введение

Для существования в жидком состоянии H2 необходимо охладить ниже своей критической точки, равной 33 K. Однако, для поддержания полностью жидкого состояния при атмосферном давлении, H2 требуется дополнительное охлаждение. Распространенным методом получения жидкого водорода является использование компрессора, по внешнему виду и принципу действия напоминающего реактивный двигатель. Жидкий водород обычно используется как концентрированная форма хранения водорода. Хранение в жидком виде занимает меньше места, чем хранение в газообразном состоянии при нормальной температуре и давлении. Однако плотность жидкости значительно ниже, чем у других распространенных видов топлива. После сжижения его можно поддерживать в жидком состоянии в течение некоторого времени в теплоизолированных контейнерах. Существуют два спиновых изомера водорода; в то время как водород при комнатной температуре в основном состоит из ортоводорода, жидкий водород содержит 99,79% параводорода и 0,21% ортоводорода.

История

В 1885 году Зигмунд Флоренти Вроблевски опубликовал критическую температуру водорода как ; критическое давление, ; и температуру кипения, . Водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и его изобретения – вакуумной колбы. Первый синтез стабильной изомерной формы жидкого водорода, параводорода, был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Фридрихом Бонгоффером в 1929 году.

Спиновые изомеры водорода

Два ядра в молекуле двуводорода могут находиться в двух различных спиновых состояниях. Параводород, в котором спины обоих ядер антипараллельны, более стабилен, чем ортоводород, в котором спины обоих ядер параллельны. При комнатной температуре газообразный водород преимущественно находится в ортоизомерной форме из-за тепловой энергии, однако ортообогащенная смесь является лишь метастабильной при сжижении при низкой температуре. Она медленно претерпевает экзотермическую реакцию, переходя в параизомер, при этом выделяется достаточно тепла, чтобы вызвать закипание части жидкости.

Применение

Жидкий водород является распространенным жидким ракетным топливом и используется NASA и ВВС США, которые эксплуатируют большое количество резервуаров жидкого водорода с индивидуальной емкостью до 3,8 миллиона литров (1 миллион галлонов США). В большинстве ракетных двигателей, работающих на жидком водороде, он сначала охлаждает сопло и другие детали, прежде чем смешиваться с окислителем, обычно жидким кислородом, и сжигаться с образованием воды с незначительными примесями озона и перекиси водорода. Практические ракетные двигатели H2–O2 работают с избытком топлива, чтобы в выхлопе оставалось некоторое количество несгоревшего водорода. Это снижает эрозию камеры сгорания и сопла, а также уменьшает молекулярную массу выхлопных газов, что может повысить удельный импульс, несмотря на неполное сгорание. Жидкий водород может использоваться в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания или топливного элемента. Различные подводные лодки, включая подводные лодки типов 212 и 214, а также концептуальные водородные транспортные средства, такие как DeepC и BMW H2R, были созданы с использованием этой формы водорода. Благодаря схожести, производители иногда могут модифицировать и использовать оборудование, предназначенное для сжиженного природного газа (СПГ). Жидкий водород исследуется как безуглеродное топливо для авиации. Из-за более низкой объемной энергоемкости требуются большие объемы водорода для сгорания. Если не используется прямой впрыск, сильный эффект вытеснения газа также ограничивает максимальную производительность и увеличивает насосные потери. Жидкий водород также используется для охлаждения нейтронов, предназначенных для нейтронного рассеяния. Поскольку нейтроны и ядра водорода имеют близкие массы, обмен кинетической энергией при каждом взаимодействии максимален (упругое столкновение). Наконец, перегретый жидкий водород использовался во многих экспериментах с пузырьковыми камерами. В первой термоядерной бомбе, "Ivy Mike", использовался жидкий дейтерий, также известный как водород-2, для ядерного синтеза.

Свойства

Продукт сгорания водорода в чистой кислородной среде – исключительно водяной пар. Однако высокие температуры сгорания и присутствующий в атмосфере азот могут приводить к разрыву тройных связей N≡N, образуя токсичные NOx при отсутствии очистки выхлопных газов. Поскольку воду часто считают безвредной для окружающей среды, двигатель, использующий её в качестве топлива, можно считать двигателем с "нулевым уровнем выбросов". Однако в авиации водяной пар, выбрасываемый в атмосферу, вносит вклад в глобальное потепление (в меньшей степени, чем CO2). Жидкий водород также обладает значительно более высокой удельной энергией, чем бензин, природный газ или дизельное топливо. Плотность жидкого водорода составляет всего 70,85 г/л (при 20 К), а относительная плотность – всего 0,07. Несмотря на то, что удельная энергия более чем в два раза выше, чем у других видов топлива, это обуславливает крайне низкую объемную плотность энергии, во много раз меньшую. Жидкий водород требует криогенных технологий хранения, таких как специальные теплоизолированные резервуары, и особых мер обращения, характерных для всех криогенных топлив. Это аналогично, но более сложно, чем работа с жидким кислородом. Даже при использовании теплоизолированных контейнеров сложно поддерживать такую низкую температуру, и водород будет постепенно утекать (обычно со скоростью около 1% в день).

Безопасность

Из-за низких температур жидкий водород представляет опасность обморожения. Сам водород биологически инертен, и единственная опасность для здоровья человека при вдыхании его паров – вытеснение кислорода, приводящее к удушью, а также его чрезвычайная воспламеняемость и способность к детонации при смешивании с воздухом. В связи с воспламеняемостью, жидкий водород следует держать подальше от источников тепла или пламени, если только не требуется его преднамеренное воспламенение. В отличие от газообразного водорода при комнатной температуре, который легче воздуха, водород, недавно испарившийся из жидкого состояния, настолько холоден, что становится тяжелее воздуха и может образовывать воспламеняющиеся смеси водорода и воздуха, более тяжелые, чем воздух.