Vety on tulevaisuuden supermetalli

Kun sekä paine että lämpötila nousevat, vety voi esiintyä vielä kahdeksassa muussakin muodossa. Kun paine on tarpeeksi kova ja kuumuus äärimmäinen, vety voi olla joko kiinteää tai nestemäistä ja atomien etäisyys toisistaan voi vaihdella niin, että aineen ominaisuudet muuttuvat.

Niinpä nestemäinen vety voi esiintyä kolmessa olomuodossa, joista nestemäinen metallinen vety on tiiveintä. Nestemäistä vetymetallia syntyy, kun lämpöä on vähintään tuhat astetta ja painetta on kaksi miljoonaa baaria. Tässä olomuodossa vety on kuitenkin hyvin epävakaata: se muuttuu nopeasti kaasuksi, kun paine laskee. Sitä voidaan tutkia ainoastaan NIF:n kaltaisten tutkimuslaitosten koekammioissa.

Alussa kuvailtu NIF:n koe kuului tutkimukseen, joka uutisoitiin Science-tiedeaikakauslehdessä viime vuonna. Tutkimusta oli odotettu kauan.

Tähtitieteilijät uskovat, että Jupiterin ja Saturnuksen sisuksissa velloo nimenomaan nestemäistä metallista vetyä. Teorioiden mukaan jopa 80 prosenttia kaasujättiläisten massasta on nestemäistä vetymetallia. Metallivety voi olla myös planeettojen voimakkaiden magneettikenttien syntysija.

Siksi tähtitieteilijät iloitsivat NIF:n kokeesta. Nyt fyysikot vovat alkaa tutkia vetymetallin ominaisuuksia kokeellisesti ja tähtitieteilijät saavat uusia välineitä Jupiteria kiertävän Juno-luotaimen havaintojen tulkitsemiseen.

Junon tehtävänä on muun muassa selvittää, miten planeetan kaoottinen magneettikenttä syntyy.

Tutkijoita kiinnostaa erityisesti, ovatko nestemäisen vetymetallin virtausominaisuudet samanlaiset kuin vedellä vai onko se niin sanottu supraneste. Supranesteessä atomit liikkuvat kokonaan ilman vastusta, eli kun neste kerran on pantu liikkeeseen, se virtaa periaatteessa ikuisesti. Jos nestemäinen vetymetalli osoittautuu supranesteeksi, vedyn virtauskuviot ja sen magneettiset omaisuudet ovat aivan erilaisia kuin jos se on tavallista nestettä.

Kiinteän vetymetallin jäljillä

Nestemäisen metallisen vedyn jälkeen seuraava suuri tavoite on kiinteä metallinen vety. Sen jäljille päästiin teoriassa jo 1935, kun yhdysvaltalaisfyysikot Eugene Wigner ja Hillard Huntington päättelivät, että vety voidaan puristaa niin tiiviiksi, että se muuttuu kaasusta kiinteäksi aineeksi, jolla on metalliset ominaisuudet ja kymmenen kertaa tiiviimpi atomirakenne kuin kaasuilla.

Heidän laskelmiensa mukaan siihen tarvittiin 250 000 baarin paine. Sittemmin kokeet ovat osoittaneet, että tarvittava paine on paljon suurempi. Kiinteällä metallisella vedyllä olisi yksi selvä etu vedyn muihin olomuotoihin verrattuna: ainakin teoriassa nimittäin kiinteä vetymetalli – kun sitä aikanaan saadaan valmistettua – säilyttää olomuotonsa ja metalliset ominaisuutensa myös normaalissa ilmanpaineessa.

Sitä on verrattu timantteihin, jotka syntyvät hiilestä kovassa paineessa ja kuumuudessa Maan sisuksissa ja säilyttävät ominaisuutensa ja atomirakenteensa myös Maan pinnalla sen sijaan, että ne paisuisivat grafiitiksi.

Lähimmäksi kiinteää vetymetallia on tähän asti päästy kokeessa, joka tehtiin Harvardin yliopistossa 2017. Silloin Isaac Silveran johtama tutkijaryhmä puristi pientä määrää vetyä kahden timantin välissä niin, että siihen kohdistui 4,95 miljoonan baarin paine.

Tutkijoiden mukaan vety vaihtoi olomuotoa niin, että se ensin oli läpinäkyvä eriste, eli se ei johtanut sähköä, sitten tumma puolijohde ja lopulta hopeanhohtoista kiinteää metallia. Jos näin todella kävi, se oli ensimmäinen kerta historiassa.

Silveran ja kumppanien todisteet jäivät timanttipuristimeen, mutta tulokset julkaistiin Science-lehdessä. Tutkimus otettiin vastaan kollegoiden keskuudessa sekä ihastuneesti että epäilevästi.

Osa tutkijoista ei uskonut, että kokeessa syntyi vetymetallia. Timanttipuristimen timantit oli päällystetty alumiinioksidikerroksella, jotta vetyatomit eivät olisi painuneet timantteihin. Epäilijät ovat sitä mieltä, että alumiinioksidikerros saastutti vetynäytteen.

Hälventääkseen epäilyjä Silvera suunnitteli uuden koesarjan, jonka piti todistaa, että vety oli oikeasti muuttunut kiinteäksi metalliksi. Siinä piti ensin altistaa puristimessa oleva vetynäyte röntgensäteelle, jotta saataisiin selville, onko sen atomirakenne oikeanlainen.

Sitten puristin oli tarkoitus avata ja katsoa, onko syntynyt vetymetalli vakaa myös tavallisessa ilmanpaineessa. Jos vetynäyte olisi osoittautunut vakaaksi, olisi selvitetty mittauksilla, onko se tavallinen johde vai suprajohde, kuten sen teorian mukaan pitäisi olla. Ennen varsinaista koesarjaa piti kuitenkin tehdä lasermittaus näytteen paineen määrittämiseksi.

Lasermittaus meni mönkään. Lasersäde osuikin toiseen puristimen timanteista ja vetynäyte katosi. Silveran mukaan katoamiseen on kaksi mahdollista selitystä. Ensinnäkin on mahdollista, että näyte, joka oli vain 1,5 mikrometriä paksu ja 10 mikrometriä leveä eli suunnilleen viidesosan ihmisen hiuksen paksuudesta, on nyt jossakin lasersäteen hajottaman timantin ja koekammion muiden kappaleiden seassa.

Toinen mahdollisuus on se, että kiinteä metallinen vety ei ole vakaata normaalissa ilmanpaineessa ja siksi se höyrystyi. Jälkimmäinen selitys olisi pettymys tutkijoille, sillä se tarkoittaisi sitä, että kiinteän vetymetallin käyttökohteet olisivat harvassa.

Mullistavia mahdollisuuksia

Epäonnisesti päättyneen lasermittauksen jälkeen Silvera kollegoineen on yrittänyt parantaa timanttipuristinta ja toistaa kokeen. Toistaiseksi se ei ole onnistunut, mutta Silveran mukaan tulokset ovat lupaavia.

Jos tutkijat onnistuvat osoittamaan, että kiinteä vetymetalli on vakaata timantti­puristimen ja koekammion ulkopuolellakin kuten timantit, tekniset sovellusmahdollisuudet ovat valtavat.

Tavallisessa paineessa vakaa kiinteä vetymetalli olisi todennäköisesti myös suprajohtavaa normaalissa huoneen lämpötilassa. Useimmat nykyisin tunnetut suprajohtavat aineet pitää jäähdyttää –269 asteeseen, ennen kuin ne saavat suprajohtavat ominaisuutensa.

Suprajohde on aine, jossa sähkö kulkee vastuksettta ja siksi myös ilman hävikkiä. Jos suprajohteesta tehtyyn kelaan johdettaisiin sähköä, se kiertäisi siinä periaatteessa ikuisesti. Tällaiset kelat mahdollistaisivat esimerkiksi tuuli- ja aurinkovoimaloiden tuottaman sähkön laajamittaisen varastoinnin aivan uudella tavalla.

Suprajohdekaapeleilla voitaisiin myös siirtää sähköä mistä tahansa maailman kolkasta niin, ettei sitä häviä matkalla. Siksi tutkijat puurtavat edelleen saadakseen aikaan metallista vetyä. Pieni vetyhippu voi muuttua tulevaisuuden voimalinjoiksi, joissa kulkee päästöttömästi tuotettua sähköä.