Υγρό υδρογόνο

Υγρό υδρογόνο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Υγρό υδρογόνο
Άλλες ονομασίες	Υδρογόνο (κρυογονικό υγρό), υδρογόνο (ψυκτικό υγρό), LH2, παραϋδρογόνο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	H2
Μοριακή μάζα	2.01588 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	Η2
Αριθμός CAS	1333-74-0
SMILES	[HH]
InChI	1S/H2/h1H
Αριθμός RTECS	MW8900000
Αριθμός UN	1966
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−259,14 °C (14,01 K)
Σημείο βρασμού	−252.87 °C (20.28 K)
Πυκνότητα	70,85kg/m³[1]
Εμφάνιση	Άχρωμο υγρό
Χημικές ιδιότητες
Σημείο αυτανάφλεξης	571 °C
Επικινδυνότητα
Πολύ εύφλεκτο
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	4 3 0
Άλλοι κίνδυνοι	Εκρηκτικό (LEL 4.0 %; UEL 74.2 % (στον αέρα)[1])
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Υγρό υδρογόνο (LH2 ή LH₂) είναι η υγρή κατάσταση του στοιχείου υδρογόνου. Το υδρογόνο βρίσκεται φυσικά στη μορφή του μορίου H₂.

Για να υπάρχει ως υγρό, το H₂ πρέπει να ψυχθεί κάτω από το κρίσιμο σημείο των 33 K του υδρογόνου. Όμως, για να είναι το υδρογόνο σε μια πλήρως υγρή κατάσταση χωρίς εξάτμιση σε ατμοσφαιρική πίεση, χρειάζεται να ψυχθεί στους 20.28 K^[2] (−423.17 °F/−252.87°C).^[3][4] Μια συνηθισμένη μέθοδος λήψης υγρού υδρογόνου περιλαμβάνει έναν συμπιεστή που μοιάζει με στροβιλοκινητήρα και στην εμφάνιση και στην αρχή. Το υγρό υδρογόνο χρησιμοποιείται τυπικά ως συμπυκνωμένη μορφή αποθήκευσης υδρογόνου. Όπως σε οποιοδήποτε αέριο, η αποθήκευσή του ως υγρό καταλαμβάνει λιγότερο χώρο από την αποθήκευσή του ως αερίου σε κανονική θερμοκρασία και πίεση. Όμως, η πυκνότητα του υγρού είναι πολύ χαμηλή συγκρινόμενη με άλλα συνηθισμένα καύσιμα. Μόλις υγροποιηθεί, μπορεί να διατηρηθεί ως υγρό σε πεπιεσμένους και θερμικά μονωμένους περιέκτες.

Το υγρό υδρογόνο αποτελείται από 99,79% παραϋδρογόνο και 0,21% ορθοϋδρογόνο.^[5]

Το 1885 ο Ζίγκμουντ Βρομπλέφσκι (Zygmunt Florenty Wróblewski) δημοσίευσε την κρίσιμη θερμοκρασία του υδρογόνου ως 33 K, την κρίσιμη πίεση 13,3 ατμόσφαιρες και το σημείο βρασμού 23 K.

Το υδρογόνο υγροποιήθηκε από τον Τζέιμς Ντιούαρ (James Dewar) το 1898 χρησιμοποιώντας αναγεννητική ψύξη και την εφεύρεσή του, τη φιάλη κενού. Η πρώτη σύνθεση της σταθερής ισομερούς μορφής του υγρού υδρογόνου, του παραϋδρογόνου, επετεύχθη από τον Πάουλ Χάρτεκ (Paul Harteck) και τον Καρλ Φρίντριχ Μπονχέφερ (Karl Friedrich Bonhoeffer) το 1929.

Σε θερμοκρασία δωματίου το υδρογόνο αποτελείται κυρίως από τη μορφή ορθοϋδρογόνο. Μετά την παραγωγή, το υγρό υδρογόνο είναι σε μια μετασταθή κατάσταση και πρέπει να μετατραπεί στη μορφή παραϋδρογόνου για να αποφευχθεί η εξώθερμη αντίδραση που λαμβάνει χώρα όταν αλλάζει σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό συνήθως γίνεται χρησιμοποιώντας έναν καταλύτη όπως το οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου, ενεργό άνθρακα, αμίαντο με λευκόχρυσο, μέταλλα σπάνιων γαιών, ενώσεις του ουρανίου, οξείδιο του τρισθενούς χρωμίου, ή κάποιες ενώσεις του νικελίου.^[6]

Είναι ένα συνηθισμένο υγρό καύσιμο πυραύλων για εφαρμογές διαστημικών πυραύλων. Στους περισσότερους κινητήρες πυραύλων που τροφοδοτούνται με καύσιμο υγρού υδρογόνου, πρώτα ψύχεται το ακροφύσιο και άλλα τμήματα πριν να αναμειχθούν με το οξειδωτικό (συνήθως υγρό οξυγόνο (LOX)) και καίγεται για να παραγάγει νερό με ίχνη όζοντος και υπεροξειδίου του υδρογόνου. Πρακτικά οι κινητήρες πυραύλων H₂/O₂ έχουν καύσιμο τόσο πλούσιο έτσι ώστε τα καυσαέρια να περιέχουν κάποιο άκαυστο υδρογόνο. Αυτό μειώνει τη διάβρωση του θαλάμου και του ακροφυσίου. Μειώνει επίσης τη σχετική μοριακή μάζα των καυσαερίων που μπορεί στην πραγματικότητα να αυξήσει την ειδική ώθηση παρά την ατελή καύση. Το υγρό υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αποθήκη καυσίμου σε μια μηχανή εσωτερικής καύσης ή κυψέλη καυσίμου. Διάφορα υποβρύχια (τύποι 212 και 214) και οχήματα υδρογόνου έχουν κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας αυτή τη μορφή υδρογόνου. Λόγω της ομοιότητάς του, οι κατασκευαστές μπορούν μερικές φορές να τροποποιήσουν και να μοιραστούν τον εξοπλισμό με συστήματα σχεδιασμένα για υγροποιημένο φυσικό αέριο. Όμως, λόγω της χαμηλότερης ογκομετρικής ενέργειας, οι απαιτούμενοι όγκοι υδρογόνου για καύση είναι μεγάλοι. Εκτός αν εγχέεται LH2 αντί για αέριο, οι κινητήρες εμβόλων με καύσιμο υδρογόνου απαιτούν συνήθως μεγαλύτερα συστήματα καυσίμου. Εκτός αν χρησιμοποιείται άμεσος ψεκασμός καυσίμου, ένα σημαντικό φαινόμενο υποκατάστασης αερίου εμποδίζει επίσης τη μέγιστη αναπνοή και αυξάνει τις απώλειες άντλησης.

Το υγρό υδρογόνο χρησιμοποιείται επίσης για την ψύξη νετρονίων που χρησιμοποιούνται στη σκέδαση νετρονίων. Επειδή τα νετρόνια και οι πυρήνες υδρογόνου έχουν παρόμοιες μάζες, η ανταλλαγή κινητικής ενέργειας ανά αλληλεπίδραση είναι μέγιστη (ελαστική κρούση). Τέλος, υπέρθερμο υγρό υδρογόνο χρησιμοποιήθηκε σε πολλά πειράματα θαλάμου φυσαλίδων.

Το παραπροϊόν της καύσης του υγρού υδρογόνου, μόνο με οξυγόνο είναι ατμοί νερού (αν και, αν η καύση του είναι με οξυγόνο και άζωτο μπορεί να σχηματίσει τοξικά χημικά), που μπορούν να ψυχθούν με το υγρό υδρογόνο. Επειδή το νερό θεωρείται αβλαβές για το περιβάλλον, ένας κινητήρας που καίει υδρογόνο μπορεί να θεωρηθεί με "μηδενικές εκπομπές". Το υγρό υδρογόνο έχει επίσης μια πολύ υψηλότερη ειδική ενέργεια από τη βενζίνη, το φυσικό αέριο, ή το ντίζελ.^[7]

Η πυκνότητα του υγρού υδρογόνου είναι μόνο 70,99 g/L (στους 20 K), μια σχετική πυκνότητα μόλις 0,07. Αν και η ειδική ενέργεια είναι περίπου διπλάσια από άλλα καύσιμα, αυτή του δίνει σημαντικά χαμηλή ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα, πολλές φορές χαμηλότερη.

Το υγρό υδρογόνο απαιτεί κρυογονική τεχνολογία αποθήκευσης όπως ειδικά θερμομονωμένους περιέκτες και απαιτεί ειδικό χειρισμό κοινό σε όλα τα κρυογονικά καύσιμα. Αυτός είναι παρόμοιος με το υγρό οξυγόνο, αλλά πιο σημαντικός από αυτόν. Ακόμα και με θερμικά μονωμένους περιέκτες είναι δύσκολο να κρατηθεί τόσο χαμηλή θερμοκρασία και το υδρογόνο θα απομακρυνθεί σταδιακά (τυπικά με έναν ρυθμό 1% ανά ημέρα^[7]). Επίσης έχει πολλά από τα ίδια προβλήματα ασφαλείας όπως οι άλλες μορφές υδρογόνου και πρέπει να είναι αρκετά κρύο για να υγροποιήσει (και ενδεχομένως να στερεοποιήσει) το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, που μπορεί να σημαίνει έναν κίνδυνο έκρηξης.

Το τριπλό σημείο του υδρογόνου είναι στους 13,81 K και ^[2] 7,042 kPa.^[8]