Vety on tulevaisuuden supermetalli

Vety on kaasu, mutta kovassa paineessa se voi muuttua kiinteäksi metalliksi. Se voisi mullistaa sähkönsiirron ja avaruusmatkailun. Nyt tutkijat ovat ehkä päässeet jyvälle siitä, miten vetymetallia valmistetaan.

Claus Lunau

Yhdysvaltalaisessa National Ignition Facility (NIF) -tutkimuslaitoksessa pannaan vetynäyte todella lujille. Paine koekammiossa kasvaa niin kovaksi, että kaasu vaihtaa olomuotoa ja muuttuu nesteeksi. Se on kuitenkin vasta alkua. Sitten käynnistyy maailman suurin laser, jonka valonsäde runnoo vetypisaraa armottomasti. Koekammion paine nousee kahteen miljoonaan baariin.

Paine on lähes saman verran kuin maapallon ytimessä ja kaksi miljoonaa kertaa niin paljon kuin normaali ilmanpaine merenpinnan tasolla. Tässä puristuksessa kirkas vetypisara muuttuu ensin tummaksi ja läpinäkymättömäksi ja sitten hopeanhohtoiseksi metalliksi. Tutkijat riemuitsevat.

Tutkijat uskovat, että suurin osa suurten kaasuplaneettojen sisuksista on nestemäistä metallista vetyä. Laserilla tuotettu pisara voi siis antaa osviittaa esimerkiksi Jupiterin ja Saturnuksen rakenteesta.

Sitäkin suurempi riemun aihe on se, että pisara voi olla askel kohti kiinteän metallisen vedyn valmistamista. Se on ainakin fyysikoiden teorioissa todellinen ihmeaine. Se voisi viedä avaruusraketit entistä pidemmille matkoille ja saisi sähkön kulkemaan siirtoverkoissa ja virtapiireissä kokonaan ilman hävikkiä.

Vedystä on moneksi

Vety on maailmankaikkeuden yleisin ja yksinkertaisin aine. Vetyatomi koostuu yhdestä protonista, jota kiertää yksi elektroni. Luonnossa vetyä esiintyy enimmäkseen molekyyleinä, joissa on kaksi vetyatomia. Yksinkertaisesta rakenteestaan huolimatta vedyllä voi olla monta olomuotoa.

Normaalissa ilmakehän paineessa vety voi esiintyä kaasuna, nesteenä ja kiinteänä aineena kuten muutkin alkuaineet. Kaasuna vety esiintyy silloin, kun lämpötila on yli –240 astetta. Kun pakkasta on sitä enemmän, vety on ensin nestettä, kunnes –259 asteessa se jähmettyy vetyjääksi.

Maailman suurin laser sijaitsee Kaliforniassa National Ignition Facility -tutkimuslaitoksessa.

© Jason Laurea/LLNL

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.

-259 asteen lämpötilassa vety muuttuu kiinteäksi normaalissakin paineessa.

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.

Vetynäytteeseen saadaan kova paine puristimessa, jossa se on kahdentimantin välissä.

© Argonne National Laboratory_ANL ? Steve Jacobsen/Pamela C. Burnley, University of Nevada, Las Vegas

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.

80% Jupiterin ja Saturnuksen aineesta uskotaan olevan nestemäistä metallivetyä.

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.

168 laseria tekee vedystä metallia

Normaalisti valoa ei huomaa tuntoaistilla, mutta kun valo on tarpeeksi voimakasta, valohiukkasetkin tuottavat paineen. Yhdysvaltalaistutkijat yhdistivät 168 laserin valon ja suuntasivat sen nestemäiseen vetyyn. Valon paine muutti vedyn hopeanhohtoiseksi metalliksi.

NIF& Claus Lunau

1.

168 laserin valonsäteet johdetaan vahvistimeen. Se on ikään kuin pitkä putki, jossa valo kulkee edestakaisin ja samalla voimistuu.

NIF& Claus Lunau

2.

Voimakkaat salamavalot saavat lasiputkien kaasun atomit lähettämään valoa, joka voimistaa vahvistimessa kulkevaa laservaloa.

NIF& Claus Lunau

3.

Lopulta laserien valo tulee koekammioon, jossa 168 valonsädettä yhdistetään ja johdetaan vetynäytteen sisältävään metallilieriöön.

NIF& Claus Lunau

4 Metallilieriössä lasersäteet heijastuvat edestakaisin ja tuottavat kovan valopaineen vetynäytteeseen. Vetynäyte sijaitsee kuparisen männän ja läpinäkyvän ikkunan välissä.
5 Kun lasersäde painaa mäntää ja vetynäytettä, senpaine ja lämpötila kasvavat. 2 miljoonan baarin paineessa ja 2 000 asteen lämmössä vedystä tulee nestemäistä metallia.

© Oliver Larsen

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.

Superleder afstøder magnet

Suprajohde hylkii magneettikenttiä. Kuvassa pieni magneetti leijuu –200 asteeseen jäähdytetyn suprajohtimen yläpuolella. Samaa periaatetta käytetään isommassa mittakaavassa nopeissa magneettijunissa, jotka leijuvat suprajohtimien ja jäähdytettyjen kiskojen yläpuolella, eikä kitkaa synny. Tutkijat arvelevat, että kiinteä vety voisi toimia suprajohtimena jo huoneenlämmössä ja siten tehdä hankalan jäähdytyksen tarpeettomaksi.

© Peter Nussbaumer //WikiMedia

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.

kiinteällä polttoaineella pääsee pidemmälle
Nykyään monissa avaruusraketeissa käytetään polttoaineena nestemäistä vetyä. 1 kilogramma sitä tuottaa 1:tä kilogrammaa vastaavan painevoiman 460 sekunnin ajan. 1 kilogramma kiinteää metallista vetyä tuottaisi saman painevoiman 1 700 sekunnin ajan.

© Oliver Larsen

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.

Tavallinen sähköjohde hukkaa lämpöä

1.

Kun sähkövirta kulkee esimerkiksi kuparisessa johtimessa, elektroneja virtaa negatiiviselta elektrodilta positiiviselle elektrodille. Elektronien vauhti on huima: se on lähes sama kuin valon nopeus.

2.

Kuparin kidehilan atomit värähtelevät jatkuvasti samalla, kun elektronit törmäilevät niihin. Törmäyksissä elektronien suunta vaihtuu. Samalla osa niiden sisältämästä energiasta vapautuu lämpönä ympäristöön.

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.

Suprajohde tekee elektronipareja

1.

Elektroni kulkee suprajohteen läpi osumatta kidehilan atomeihin. Kiinteän vetymetallin kidehilassa on positiivisia protoneja.

2.

Kulkiessaan hilan ohi elektroni vetää hilaa kasaan. Silloin hilassa syntyy positiivinen varaus, joka vetää uutta elektronia puoleensa.

3.

Edellä olevan elektroniparin luoma positiivinen varaus vetää uuden parin johteen läpi. Vastusta ei ole.

Lue myös:

Teknologia

Pinnoite sulattaa lentokoneen siivet

1 minuuttia
Teknologia

Miten lelu hohtaa pimeässä?

0 minuuttia
Ruoka-aineet

Miksi yksi sipsi ei koskaan riitä?

0 minuuttia
Suosituimmat

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!