Metallisk hydrogen kan revolutionere rumfarten

Hen imod slutningen af måneekspeditionerne i 1972 gjorde russiske fysikere en opdagelse, som banede vej for hydrogen som fremtidens superbrændstof til måneraketterne. Men ikke almindelig hydrogen.

Hvis man presser hydrogen kraftigt nok sammen, bliver det nemlig et metal. Og ikke nok med det – det holder sig måske stabilt i den sammentrykte tilstand.

Til månen med ét enkelt trin

Det sammentrykte, metalliske hydrogen forbrænder ikke som andre raketbrændstoffer. Det frigiver energi på en anden måden.

Når det metalliske hydrogen går fra den tætte form og bliver til almindelig hydrogengas, frigives der energi. Meget energi.

»Det er mere end 20 gange den specifikke energi, som frigives ved forbrændingen af hydrogen og oxygen i rumfartøjets hovedmotorer,« skriver fysikerne Isaac F. Silvera og John W. Cole fra Harvard University i et studie fra 2010.

Forskerne anslår, at en måneraket drevet af metallisk hydrogen kan foretage hele rejsen til månen med ét enkelt rakettrin (i store løfteraketter udgør drivstofferne 90-93 procent af startvægten. Man kan med fordel bortkaste et overflødigt rakettrin, så snart det er udbrændt. Raketter konstrueres derfor normalt som flertrinsraketter, det vil sige at første rakettrin bortkastes, når det er udbrændt, mens andet rakettrin bringer nyttelast og eventuelt øvrige rakettrin videre, red.)

Saturn V-raketterne, som bragte amerikanske astronauter til Månen i 1960’erne og 1970’erne, havde tre rakettrin.

En ambolt af diamanter

Der er bare et lille problem. Man har endnu ikke formået at lave metallisk hydrogen, men forskerne nærmer sig stadig stoffet, som kaldes fysikkens hellige gral.

Det sidste skridt blev taget af forskere i USA og Kina. De har sammenpresset hydrogen med noget, som kaldes en diamant-ambolt.

Diamant er verdens hårdeste stof. Trykket mellem diamanterne i ambolten bliver tilsvarende stort – 3,2 millioner atmosfærer, altså 3,2 millioner gange større end lufttrykket ved Jordens overflade.

Forskerne sendte lys gennem diamanterne og iagttog, hvordan hydrogenet ændrede lyset. Ifølge studiet – udgivet i tidsskriftet Nature – viste ændringerne, at hydrogenet var i færd med at danne et forstadium til metallisk hydrogen.

Flere komplekse faser

Forskerne formåede altså ikke at fremstille metallisk hydrogen i løbet af dette studie.

»Det er alligevel et vigtigt studie,« skriver Asle Sudbø, som er professor i fysik ved NTNU, i en mail til forskning.no.

I studiet fra Nature viser forskerne, hvordan hydrogenet gennemgik fire forskellige faser, hver gang trykket blev øget.

Ifølge en pressemeddelse fra Nature er den sidste fase sandsynligvis en blanding af almindelig og metallisk hydrogen, selvom det forsat ikke er bekræftet.

»Det at de allermest enkle atomer, som findes, kan fremvise så komplekse faser, repræsenterer flere fascinerende kollektive effekter. ‘More is different’, som nobelsprisvinderen i fysik Philip W. Anderson har udtrykt det,« kommenterer Asle Sudbø.

Elektroner på bølgelængde

Hvorfor er det egentlig så svært at fremstille metallisk hydrogen? Hydrogen er trods alt i den samme kemiske gruppe som alkalimetallerne – for eksempel lithium, kalium og natrium.

Forklaringen ligger i det stærke bånd, som binder to hydrogenatomer sammen. Ifølge studiet i Nature er det et af de stærkeste bånd i hele kemien.

Hvorfor er båndet så kraftigt? Forklaringen ligger i måden, elektronerne opfører sig. De er dels partikler, dels bølger, som kvantefysikken beskriver dem.

Hver hydrogenatom har en elektron. Bølgerne fra elektronerne reagerer med hinanden gennem en kvantemekanisk vekselvirkning og trækker to hydrogenatomer sammen.

Akkurat som for menneskepar svinger det dårligt, hvis endnu et hydrogenatom forsøger at koble sig på. Det vil blive frastødt. Den sædvanlige form for hydrogen er altså to hydrogenatomer i tæt binding, H2.

Kvantemekanisk skilsmisse

For at fremstille metallisk hydrogen er man nødt til at fremtvinge en kvantemekanisk ‘skilsmisse’ mellem de to hydrogenatomer. Man er nødt til at bryde det tætte bånd ved at presse hydrogenet sammen.

»Fra et grundlæggende fysisk synspunkt er det en demonstration af en af kvantemekanikkens helt grundlæggende fænomener. Man kan sige, at det ville være en spektakulær demonstration af elektronernes bølgenatur,« forklarer Sudbø.

Kan levere ny indsigt for planetforskerne

Metallisk hydrogen kan også levere ny indsigt for planetforskerne – i de store gasplaneter som Jupiter og Saturn.

Inden i disse planeter er trykket så højt, at hydrogen bliver metallisk i et tykt lag under den øverste atmosfære.

Båndet mellem hydrogenatomerne brydes ved så voldsomt et tryk, og derefter laver de en tæt krystalstruktur – metallisk hydrogen. Andre metaller har en lignende krystalstruktur. I denne struktur flyder elektronerne frit.

Superledende og superflydende

Dermed kan de flyde gennem metallet. De kan lede elektrisk strøm. Beregninger viser, at metallisk hydrogen kan blive en superleder – altså en leder helt uden elektrisk modstand – hvor strømmen flyder frit i det uendelige.

Ved bestemte tryk og temperaturer kan metallisk hydrogen også blive en supervæske. Det er en væske, som flyder uden modstand.

Hvis havet på Jorden var en supervæske, ville man kunne søsætte en båd i Stavanger, give den et lille skub og se den ankomme i New York et par måneder senere i samme fart.

Det er selvfølgelig forudsat, at den har den rigtige kurs, at man ser bort fra luftmodstanden og at båden er helt tæt. Ellers ville supervæsken nemlig flyde ind over bådens ræling og fylde den.

Flydende byer på havet

Hvis metallisk hydrogen er stabilt, superledende og superflydende, taler vi om et stof med uanede muligheder. Også den faste form kan fyre godt op under fantasien.

Stoffet er let og superstærkt, og kan ifølge forskere, som Amato citerer i kommentaren i Nature fra 2010, bruges til at bygge hele byer, som flyder på havet.

Diamanter varer evigt

Alle disse fantasier kræver dog, at metallisk hydrogen faktisk kan fremstilles, og at det forbliver metallisk.

Hvis det gør, har det lighedspunkter tilfælles med stoffet, som bruges i ambolten til at sammenpresse hydrogenet – nemlig diamant.

Diamant er jo egentlig kulstof. Den eneste forskel mellem en sort klump kul og en skinnende diamant er, at kulstofatomerne er presset sammen i et tæt krystalmønster.

Og krystallet forbliver sammenpresset, selv når trykket forsvinder. Når det først er en diamant, bliver det ikke till en klump kul igen af sig selv. Sådan opfører metallisk hydrogen sig forhåbentlig også.

Flere forsøg, men skeptiske forskere

Forskerne bag det seneste studie i Nature er ikke de første, som har forsøgt at bruge diamanter til at presse sig frem til metallisk hydrogen.

I 2011 hævdede to tyske forskere, at de havde formået at fremstille metallisk hydrogen ved hjælp af diamant-ambolten.

Andre fysikere var skeptiske. Blandt dem var Ivan Amato, som skrev en kommentar i Nature i sommeren 2012.

Meget kunne være gået galt under forsøgene. De farveforandringer, som forskerne observerede, kunne for eksempel skyldes skader på diamanterne, og ikke at hydrogenet blev et metal.

Z-maskinen

I sommeren 2015 kom nyheden igen: Forskerne havde fremstillet metallisk hydrogen, men denne gang på en helt anden måde.

Amerikanske og tyske forskere havde brugt Z-maskinen ved Sandia National Laboratories til at lave ultrakorte højttryksimpulser, som sammenpressede hydrogenet.

Z-maskinen laver et voldsomt højt tryk ved hjælp af strømpulser i en elektrisk ladet gas. Der dannes stærke magnetfelter i gassen, som sammenpresser den. Men også disse resultater er usikre.

»Også andre grupper end Sandia rapporterer dette. Tilstanden, rapporteret i pulseksperimenterne, er uanset hvad ikke langlivet og stabil. Den eksisterer foreløbig kun på meget meget korte tidsskalaer,« fortæller Sudbø.

© forskning.no Oversat af Stephanie Lammers-Clark