Hydrogen blir supermateriale

Under enormt trykk forvandles hydrogen til et fast metall med utrolige evner – slik har forskernes teori vært i flere tiår, og nå er de tett på å produsere supermetallet, som kan gi verden klimavennlig strøm og kraftigere romraketter.

Claus Lunau

I laboratoriet ved National Ignition Facility (NIF) i USA har en liten hydrogenprøve kommet under voldsomt press. Trykket i prøvekammeret er så voldsomt at gassen har skiftet aggregattilstand til væske. Men den lille hydrogendråpens prøvelser har bare så vidt begynt.

Nå skrur forskerne på verdens største laser, og det intense lyset utsetter prøvekammeret for enorme krefter. Trykket i beholderen økes gradvis til svimlende to millioner atmosfærer – nesten like høyt som inne i jordas kjerne. Plutselig skjer forvandlingen. På måleinstrumentene kan forskerne først se den glassklare hydrogendråpen i kammeret bli mørk og ugjennomsiktig – og deretter bli et skinnende, flytende metall.

Forskerne er begeistret. Flytende hydrogenmetall utgjør mesteparten av det indre til de store gassplanetene, så den lille, sølvfargede dråpen kan gi dem massevis av ny informasjon om planeter som Jupiter og Saturn.

Men det er enda viktigere at forskningsbragden fører dem et stort skritt på veien til å skape fast hydrogenmetall, som ifølge fysikernes teori er et skikkelig vidundermateriale. Med hydrogenmetall i fast form som drivstoff vil romfartøy kunne nå lengre ut i verdensrommet enn noensinne, og i høyspentledninger og elektriske kretser vil metallet kunne lede strøm helt uten motstand.

Enkelt stoff har mange former

Hydrogen er universets mest utbredte og enkleste grunnstoff. Atomet består av ett proton og ett elektron. I naturen finnes det primært i såkalt molekylær form, der to hydrogenatomer har gått sammen.

Tross den enkle struktur kan hydrogen forekomme i et forbløffende stort antall tilstander. Ved alminnelig atmosfærisk trykk finnes hydrogen, akkurat som alle andre grunnstoffer, i tre aggregattilstander: gass, væske og fast stoff. Hydrogen er en gass ned til temperaturer på minus 240 °C; da kondenserer den til en væske. Ved temperaturer under minus 259 °C fryser væsken og blir til hydrogen-is.

National Ignition Facility i California er hjemsted for den kraftigste laseren i verden.

© Jason Laurea/LLNL

Men når både trykk og temperaturer økes, kan hydrogen anta ytterligere åtte ulike former. Under disse ekstreme forholdene vil hydrogenet være enten flytende eller fast, men tettheten av atomene varierer og gir stoffet ulike egenskaper. I væskeform kan stoffet dermed opptre i tre ulike tilstander, der flytende hydrogenmetall er den mest kompakte.

Flytende hydrogenmetall dannes ved temperaturer på minst 1000 grader og trykk på minst to millioner atmosfærer. Men tilstanden er ustabil, og væsken fordamper lynraskt til en gass når trykket fjernes, så forskere kan bare undersøke stoffets egenskaper flyktig i store trykkammerlaboratorier som NIF i California – og det nye resultatet fra dette laboratoriet, som ble offentliggjort i 2018 i det vitenskapelige tidsskriftet Science, er noe mange forskere har ventet spent på.

Ifølge astronomenes teorier finnes det nemlig indre hav av flytende hydrogenmetall i gasskjempene Jupiter og Saturn. Trolig består 80 prosent av disse planetenes masse av det flytende metallet. Det er trolig i disse hydrogenhavene de ekstremt sterke magnetfeltene rundt planetene blir dannet.

-259 °C er den temperaturen der hydrogen under vanlig trykk blir til fast stoff.

Derfor er det gode nyheter for astronomene at fysikerne etter tiår med forsøk endelig har bevist at hydrogenmetall faktisk finnes, og nå kan gå i gang med å undersøke metallets egenskaper eksperimentelt.

Gjennombruddet gjør det lettere å tolke observasjonene fra romsonden Juno, som går i bane rundt Jupiter og forsøker å avsløre hvordan planetens kaotiske magnetfelt blir generert helt tett på overflaten.

Forskere bruker såkalte diamant- trykkceller til å sette små hydrogenprøver under ekstremt trykk.

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

Spesifikt vil forskerne gjerne vite om flytende hydrogenmetall oppfører seg som vann eller andre væsker vi kjenner fra hverdagen, eller om det er en såkalt superflytende væske, noe som er mulig ifølge teoriene. I en superflytende væske beveger atomene seg uten å møte motstand, så når væsken først er satt i bevegelse, fortsetter den i prinsippet i all evighet. Hvis hydrogenmetall viser seg å være superflytende, vil det ha avgjørende betydning for bevegelsesmønstrene i de indre havene av hydrogenmetall i gasskjempene, og dermed for de magnetiske egenskapene.

Jakten på fast hydrogenmetall

Det neste store spranget framover blir å produsere hydrogenmetallet i fast form. Jakten på hydrogenmetall begynte allerede i 1935, da de amerikanske fysikerne Eugene Wigner og Hillard Huntington forutsa at hydrogen kunne presses så hardt sammen at gassen ville bli til et fast stoff med metalliske egenskaper og en ti ganger mer kompakt atomstruktur.

80% av Jupiter og Saturn består trolig av flytende hydrogenmetall.

Ifølge beregningene til de to fysikerne burde transformasjonen skje ved et trykk på 250 000 atmosfærer, men tiår med forsøk har vist at det krever et mye høyere trykk å skape fast hydrogenmetall.

Til gjengjeld har fast hydrogenmetall en klar fordel: I motsetning til flytende hydrogenmetall har stoffet i fast form ifølge teorien nemlig den egenskapen at når det først er produsert, fastholder det formen og sine metalliske egenskaper selv under vanlig atmosfærisk trykk.

Det kan sammenlignes med diamanter, som dannes av karbon under høyt trykk og temperaturer i jordas indre, men bevarer sin kompakte atomstruktur når de hentes opp fra dypet, i stedet for å svulme opp til grafitt.

168 lasere skaper hydrogenmetall

Normalt merker vi ikke trykk fra lys, men når det blir intenst nok, kan det skape et høyt trykk. Ved National Ignition Facility i USA samlet forskere lyset fra 168 lasere og skjøt det inn mot en liten prøve av flytende hydrogen. Det enorme trykket forvandlet det til et skinnende, flytende metall.

NIF& Claus Lunau

1.

Lyset fra 168 lasere sendes inn i laserforsterkeren, som er en lang kanal der laserlyset farer fram og tilbake mens det hele tiden forsterkes.

NIF& Claus Lunau

2.

Kraftige blitslamper treffer atomer i glassrør fylt med gass. Det får atomene til å sende ut ekstra lys som forsterker laserlyset i kanalen.

NIF& Claus Lunau

3.

Laserlyset når fram til forsøkskammeret, der de 168 laserstrålene samles og ledes inn i en metallsylinder som inneholder prøvebeholderen.

NIF& Claus Lunau

4 I sylinderen kastes laserstrålene fram og tilbake, noe som utøver et ekstremt kraftig trykk på prøven. Hydrogenprøven er plassert mellom et kobberstempel og et gjennomsiktig vindu.
5 For hver laserpuls presses stemplet mot vinduet, noe som øker både temperatur og trykk i prøven. Ved 2 millioner atmosfærer og 2000 grader ble prøven til flytende hydrogenmetall.

© Oliver Larsen

Det tetteste forskerne hittil har vært på det ettertraktede metallet, var under et forsøk i 2017. En forskergruppe under ledelse av Isaac Silvera fra Harvard University i USA utsatte fast hydrogen for et trykk på 4,95 millioner atmosfærer i en såkalt diamanttrykkcelle, der fast hydrogen plasseres mellom spissene på to diamanter og presses sammen.

Forskerne observerte hvordan stoffet skiftet tilstand fra å være en gjennomsiktig isolator – altså et stoff som ikke kan lede elektrisitet – over en mørk halvleder til et skinnende fast metall, det første av sitt slag noensinne på jorda.

Forskerne lot prøven bli i trykkcellen, og resultatene ble raskt publisert i tidsskriftet Science. Oppdagelsen ble møtt med både begeistring og skepsis, fordi noen fysikere tvilte på at prøven faktisk var et hydrogenmetall. For å hindre at hydrogenatomene ble presset inn i de to diamantamboltene i trykkcellen, var selve diamantene belagt med det supertette stoffet aluminiumoksid. Noen forskere påpekte at belegget kan ha forurenset prøven.

Superleder afstøder magnet

En superleder avstøter magnetfelt. Her ser vi en liten magnet sveve over en superleder, som er nedkjølt til -200 grader. Prinsippet brukes stor skala i lynraske magnettog, som svever friksjonsløst over de superledende og sterkt nedkjølte skinnene. Forskere mener fast hydrogenmetall er en superleder ved romtemperatur og dermed kan løse samme oppgave uten behov for nedkjøling.

© Peter Nussbaumer //WikiMedia

Derfor planla Silvera en serie av forsøk som skulle avgjøre en gang for alle om hydrogenet hadde blitt til et fast metall. Først skulle røntgenstråling fra en akselerator sendes gjennom prøven mens den fortsatt befant seg i trykkcellen for å avklare om hydrogenet hadde den forutsagte tettpakkede atomstrukturen.

Deretter skulle cellen åpnes, slik at man kunne se om hydrogenmetallet var stabilt ved atmosfærisk trykk. I så fall skulle elektriske målinger vise om metallet var en alminnelig elektrisk leder eller en superleder, som teorien forutsier. Men før forskerne startet arbeidet med testene, ville de utføre en lasermåling som kunne bestemme trykket i prøven helt nøyaktig. Og her gikk det galt.

Raketter går mye lengre på literen
I dag er mange raketter drevet av flytende hydrogen, der 1 kilo drivstoff yter en oppadrettet trykkraft på 1 kilo gjennom 460 sekunder, når drivstoffet fyres av i rakettmotoren. 1 kilo fast hydrogenmetall kan levere en trykkraft på 1 kilo i 1700 sekunder – nesten fire ganger så mye.

© Oliver Larsen

Da laseren ble skrudd på, ødela laserstrålen en av diamantene i ambolten, og prøven forsvant. Det er det ifølge Silvera to mulige forklaringer på. Det første er at prøven, som bare var 1,5 mikrometer tykk og 10 mikrometer bred – omkring en femtedel av diameteren av et menneskehår – gjemmer seg et sted i den pulveriserte diamanten eller i de ødelagte pakningene i trykkcellen. Den andre og mer oppsiktsvekkende muligheten er at fast hydrogenmetall ikke er stabil under atmosfærisk trykk, slik at prøven rett og slett er fordampet

Det ville i så fall være en enorm kalddusj for forskerne, siden det vil bety at fast hydrogenmetall vil ha langt færre bruksområder.

En teknologisk revolusjon

Helt siden den uheldige målingen har forskerne arbeidet for å forbedre diamanttrykkcellene og gjenta forsøket, og resultatene er ifølge Isaac Silvera på trappene.

Hvis Silvera og teamet hans denne gangen kan slå fast at fast hydrogenmetall er stabilt når trykket synker, er de teknologiske mulighetene svimlende. Det vil nemlig innebære at metallet sannsynligvis beholder superledende egenskaper ved romtemperatur, i motsetning til eksisterende superledere, som må kjøles ned til -269 °C.

Vanlige elektriske ledere taper varme

1.

Når en spenning settes over en elektrisk leder som for eksempel kobber, passerer en strøm av elektroner fra den negative mot den positive elektroden. I noen tilfeller kan elektronene bevege seg svært raskt.

2.

Kobberatomene vibrerer i krystallgitteret, og elektronene støter hele tiden inn i dem. Sammenstøtet endrer elektronenes retning, noe som får dem til å avgi en del av energien som varme.

En superleder kan transportere strøm helt uten motstand. Det betyr blant annet at en strøm som sendes inn i en spole av superledende materiale, vil kjøre rundt i spolen i all evighet uten å miste energi – det gjør det mulig å lagre store mengder elektrisk energi fra vindmøller og solceller.

Dessuten kan en superledende kabel transportere store mengder strøm til alle avkroker av verden uten å miste energi underveis. Derfor jobber forskerne knallhardt med å skape hydrogenmetall – helst i stor skala, slik at de små hydrogenprøvene i laboratoriet kan bli til kilometervis av kabler i framtidens grønne strømnett.

Superledere danner elektronpar

1.

Et elektron kunne reise gjennom en superleder uten å treffe atomene. I fast hydrogenmetall består gitteret av positive protoner.

2.

Elektronet trekker gitteret sammen når den passerer. Det skaper en positiv ladning bak den, som tiltrekker et nytt elektron.

3.

Den positive ladningen fra et elektronpar trekker det første paret gjennom superlederen uten motstand.

Les også:

Gasskip
Energi

Verdens største fartøy omdanner gass til væske

7 minutter
Benzinpumpe
Teknologi

Slik vet bensinpumpen at tanken er full

2 minutter
Gadgets

Derfor gnistrer metall i mikrobølgeovnen

1 minutt

Logg inn

Feil: Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!