هیدروژن فلزی و کاربرد آن در زندگی انسان
تاثیرات تولید ماده هیدروژن فلزی در زندگی ما
مجله علمی ایران : نزدیک به یک دهه از مطرح شدن تئوری «هیدروژن فلزی»، می‌گذرد و تازه دانشمندان دانشگاه هاروارد توانستند با موفقیت این ماده را که نادرترین و یکی از ارزشمندترین مواد روی زمین است، بسازند. این ماده نه تنها تحولی در سیستم حمل و نقل ایجاد خواهد کرد، بلکه ما را به دورترین نقاط فضا که تاکنون دسترسی به آنها به دلیل عدم وجود ماده متحرکه قدرتمند میسر نبود، خواهد رساند.
هیدروژن فلزی (metallic hydrogen) حالتی از هیدروژن است که در آن همانند یک رسانای الکتریکی عمل می‌کند. این حالت از لحاظ نظری در سال ۱۹۳۵ پیش‌بینی شده بود اما به دلیل نیاز به فشار بالا (صدها گیگاپاسکال) دانشمندان قادر به ساخت آن نبودند.
محققان دانشگاه هاروارد، رنگا دایاس و ایزاک سیلورا در اکتبر سال ۲۰۱۶ مدعی ساخت آزمایشگاهی هیدروژن فلزی شدند که این ادعا در ابتدای سال ۲۰۱۷ میلادی با انتشار رسمی این یافته در نشریه ساینس، تأیید شد. در این فشار، هیدروژن ممکن است به عنوان مایع به جای جامد وجود داشته باشد. تصور می‌شود که هیدروژن فلزی مایع در مقادیر زیاد در فضای داخلی فشرده شده گرانشی مشتری، زحل و برخی سیارات تازه کشف شده فراخورشیدی وجود داشته باشد.
به گفته دانشمندان، این ماده کاربردهای بسیار وسیعی دارد و به همین دلیل توجه مجامع علمی به این ماده افزایش یافته است.
سیلورا در این مورد می‌گوید: «هیدروژن فلزی جام مقدس فیزیک فشار بالاست. این نخستین نمونه از هیدروژن مایع روی زمین است و به همین دلیل زمانی که به آن نگاه می‌کنید، چیزی را می‌بینید که تا به حال ندیده‌اید و با آن مواجه نشده‌اید».
سیلورا و دایاس برای تولید این ماده، نمونه‌ای کوچک از یک هیدروژن را تحت فشار ۴۹۵ گیگاپاسکال قرار داردند که این میزان فشار بیشتر از فشار مرکز زمین است. سیلورا توضیح می‌دهد که در این میزان فشار، هیدروژن مولکولی جامد–که متشکل از مولکول‌های مشبکه جامد است- تجزیه می‌شود و مولکول‌های فشرده از هم جدا می‌شوند و به هیدروژن اتمی که یک نوع فلز است، تغییر شکل می‌دهد. این تحقیق نه تنها پنجره جدید و مهمی را به سوی درک ویژگی‌های کلی هیدروژن باز می‌کند، بلکه نویدی از یک ماده جدید و متحول‌کننده در جهان را می‌دهد.
راهکاری برای کاهش اتلاف برق
سیلورا می‌گوید: «یکی از مواردی که می‌توانیم درباره این ماده پیش‌بینی کنیم، این است که هیدروژن فلزی شبه‌پایدار است. به این معنا که زمانی که فشار از روی آن برداشته می‌شود، همانطور به صورت فلز باقی خواهد ماند؛ درست شبیه به الماس که از گرافیت تحت فشار و حرارت شدید شکل می‌گیرد اما زمانی که فشار و دمای بالا حذف می‌شوند، شکل خود را تغییر نمی‌دهد».
هیدروژن فلزی ما را به کشف دورترین سیارات منظومه شمسی نزدیک خواهد کرد. با کمک این ماده می‌توان موشک‌ها را به جای دو مرحله در یک مرحله به مدار فرستاد و محوله بزرگ‌تری را نیز به فضا فرستاد که این دو امور بسیار مهمی در حوزه اکتشافات فضایی است.
سیلورا می‌افزاید: «دانستن اینکه این ماده پایدار است یا نه بسیار مهم است زیرا نشان می‌دهد که هیدروژن فلزی می‌تواند همانند یک ابررسانا یا ابرهادی در دمای اتاق عمل کند و دانستن این موارد یعنی یک انقلاب».
وی همچنین می‌گوید: «در حالت عادی ۱۵ درصد انرژی در فرآیند انتقال جریان الکتریسیته، اتلاف می‌شود بنابراین اگر از این ماده سیم درست کنیم و از آن در شبکه برق‌رسانی استفاده کنید، داستان کاملا عوض خواهد شد و در میزان عظیمی از برق صرفه‌جویی خواهد شد».
راهکاری برای حمل و نقل سریع‌تر
دایاس نیز درباره این ماده جدید می‌گوید: «این ماده یک ابررسانا در دمای اتاق است که می‌تواند اساسا تغییر سریع و چشمگیری در سیستم حمل و نقل ما ایجاد کند به طوری که امکان ساخت قطارهای پرسرعت «شناوری مغناطیسی» و همچنین خودروهای برقی کارآمدتر و سریع‌تر را فراهم می‌کند و عملکرد وسایل الکترونیک را بهبود می‌بخشد».
* شناوری مغناطیسی
شناوری مغناطیسی یا تعلیق مغناطیسی (Magnetic Levitation) روشی است که در آن یک شیء بدون هیچ پشتیبانی به جز میدان مغناطیسی به حالت شناور درآید. نیروی مغناطیسی برای مقابله با اثرات شتاب گرانشی و هر شتاب دیگری به کار می‌رود.
قطار مگلو (Maglev) نوعی از قطارهاست که از این شناوری مغناطیسی استفاده می‌کند و در نتیجه به طور شناور در هوا در فاصله کمی از ریل قرار می‌گیرد و بدون دریافت مقاومت زیادی از محیط می‌تواند با سرعت‌های بسیار زیاد به پیش برود. این قطار برای حرکت خود از نیروی الکترومغناطیسی بهره می‌گیرد و به طور نظری مگلو می‌تواند به سرعت‌هایی قابل مقایسه با سرعت توربوپروپ و هواپیمای جت (۵۰۰ تا ۵۸۰ کیلومتر در ساعت) دست یابد. نام مگلو از ترکیب دو واژه انگلیسی Magnetic (مغناطیسی) و levitation (شناوری) درست شده است.
راهکاری برای تولید بهتر برق
ماده هیدروژن فلزی در بهبود تولید و ذخیره انرژی هم کاربرد خواهد داشت زیرا انرژی مقاومتی ابررساناها صفر است و در نتیجه می‌توان انرژی را با نگه داشتن جریان برق در سیم‌پیچ‌های ابررسانا ذخیره کرد و سپس زمانی که نیاز است از آن انرژی استفاده کرد.
سوخت قدرتمندی برای موشک یا موتور جت
هر چند که هیدروژن فلزی پتانسیل ایجاد تحول در زندگی روی زمین را دارد، این ماده می‌تواند نقش کلیدی برای کشف و دستیابی به دورترین نقاط فضا ایفا کند زیرا یک سوخت بسیار قدرتمند برای موشک به شمار می‌رود. سیلورا می‌گوید: «در تولید هیدروژن فلزی انرژی عظیمی مورد نیاز است ولی اگر همین فرآیند را برعکس کنیم و دوباره آن را به هیدروژن مولکولی تبدیل کنیم، همه آن انرژی‌ها رها می‌شود. پس می‌تواند به عنوان نیروی محرکه قدرتمند موشک مورد استفاده قرار گیرد و حتی در زمینه موشک‌سازی نیز تحول ایجاد کند».
قدرتمندترین سوخت‌های امروزی یک ویژگی خاص «تکانه ویژه» دارند که نشان‌دهنده سرعت آتش گرفتن و خروج سوخت از عقب موشک است. تکانه ویژه در واقع تکانه‌ای است که به ازای سوختن مقدار مشخصی از سوخت به راکت یا موتور جت وارد می‌شود. این مقیاسی برای سنجش سرعت خروجی از موتور موشک است. واحد تکانه ویژه ثانیه است. به طور کلی شاخص بهره‌وری موتور جت یا موشک، تکانه ویژه آن است.
میزان تکانه ویژه یک سوخت موشک امروزی حدود ۴۵۰ ثانیه است؛ در حالی که میزان تکانه ویژه ماده هیدروژن فلزی ۱۷۰۰ ثانیه است و این تفاوت فاحش به خوبی میزان قدرت این ماده را به عنوان سوخت موشک نشان می‌دهد.
سیلورا می‌گوید: «این ویژگی یعنی اینکه هیدروژن فلزی ما را به کشف دورترین سیارات منظومه شمسی نزدیک خواهد کرد. با کمک این ماده می‌توان موشک‌ها را به جای دو مرحله در یک مرحله به مدار فرستاد و محوله بزرگ‌تری را نیز به فضا فرستاد که این دو امور بسیار مهمی در حوزه اکتشافات فضایی است».
http://www.irsci.com
