Δευτέρα, 30 Ιανουαρίου 2017

Σε «υλικό-θαύμα» μετέτρεψαν επιστήμονες το υδρογόνο

Του Κώστα Δεληγιάννη
Τη δημιουργία μεταλλικού υδρογόνου στο εργαστήριο ανακοίνωσαν ερευνητές του πανεπιστημίου Χάρβαρντ, 80 και πλέον χρόνια από τότε που προβλέφθηκε για πρώτη φορά αυτή η «εξωτική» μορφή του χημικού στοιχείου. Έτσι, άνοιξαν τον δρόμο για επαναστατικές εφαρμογές που θα βασίζονται στο συγκεκριμένο υλικό, το οποίο τουλάχιστον στον πλανήτη μας δεν παράγεται με φυσικό τρόπο.
Όπως είναι γνωστό, τα χημικά στοιχεία διακρίνονται σε μέταλλα και αμέταλλα. Τα μέταλλα είναι «καλοί» αγωγοί του ηλεκτρισμού και κατά κανόνα βρίσκονται σε στερεά κατάσταση, σε θερμοκρασία δωματίου. Από την άλλη πλευρά, τα αμέταλλα είναι «κακοί» αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος, ή όπως σωστά μονωτές.
Αν και το υδρογόνο στη φυσική του κατάσταση είναι αμέταλλο, από το 1935 επιστήμονες είχαν προβλέψει πως, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, θα μπορούσε να αποκτήσει μεταλλικές ιδιότητες. Μάλιστα, σε αυτή την περίπτωση, θα συμπεριφέρεται ως υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου, δηλαδή δεν θα παρουσίαζε καθόλου αντίσταση όταν θα διαρρεόταν από ρεύμα.

«Πρόκειται για το “ιερό δισκοπότηρο” της φυσικής υψηλών πιέσεων», λέει στην ιστοσελίδα του Χάρβαρντ ο Ισαάκ Σιλβέρα, καθηγητής στο πανεπιστήμιο και επικεφαλής της έρευνας. «Είναι το πρώτο δείγμα μεταλλικού υδρογόνου στη Γη», συμπληρώνει.
Αν χρειάστηκαν πάνω από 8 δεκαετίες για να κάνει αυτό το υλικό την εμφάνισή του στη Γη, ο λόγος είναι πως οι συνθήκες δημιουργίας του είναι εξαιρετικά ακραίες. Κι αυτό γιατί έπρεπε να επιτευχθούν απίστευτα υψηλές πιέσεις – αγγίζοντας πάνω από 4.500 την ατμοσφαιρική πίεση που επικρατεί στην επιφάνεια της θάλασσας.


HARVARD/ISAAC SILVERA
Το μεταλλικό υδρογόνο θα δώσει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη συμπεριφορά της ύλης. Την ίδια στιγμή, οι ιδιότητές του το καθιστούν υποψήφιο για να αποτελέσει ένα «υλικό-θαύμα του 21ου αιώνα». Μία τέτοια ιδιότητα είναι η υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασίες δωματίου. Μέχρι σήμερα, τα υπεραγώγιμα υλικά πρέπει να διατηρούνται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες – ακόμη και κάτω από τους -260 βαθμούς Κελσίου. Το γεγονός αυτό σημαίνει πως οι χρήσεις τους είναι αρκετά περιορισμένες, όπως για παράδειγμα στους μαγνητικούς τομογράφους.
Έτσι, με το μεταλλικό υδρογόνο, ανοίγει κατ’ αρχάς ο δρόμος ώστε να μειωθεί το κόστος των εφαρμογών που ήδη υπάρχουν, μειώνοντας επομένως το κόστος των μαγνητικών τομογράφων, οι οποίοι δεν θα χρειάζονται ψυκτικά κυκλώματα για να πετύχουν τόσο ακραία χαμηλές θερμοκρασίες.
Ακόμη καλύτερα, το νέο υλικό υπόσχεται να διευρύνει την αξιοποίηση της υπεραγωγιμότητας, αφού π.χ. τα καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας από μεταλλικό υδρογόνο δεν θα εμφάνιζαν αντίσταση, και συνεπώς απώλειες λόγω θερμότητας. Απώλειες που σήμερα, με τα συμβατικά μεταλλικά υλικά, αγγίζουν το 15%.
Το μεταλλικό υδρογόνο είναι επίσης υποψήφιο καύσιμο για πυραύλους, έχοντας απίστευτα μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται σήμερα. Έτσι, μπορεί να φέρει επανάσταση στην εξερεύνηση του διαστήματος.
Για να γίνουν όμως πραγματικότητα εφαρμογές όπως οι παραπάνω, οι επιστήμονες θα πρέπει πρώτα να επιβεβαιώσουν πως το υλικό που δημιούργησαν εμφανίζει όντως τις ιδιότητες που προβλεπόταν θεωρητικά ότι έχει.
Έτσι, θα χρειαστεί κατ’ αρχάς να ελέγξουν αν, στο περιβάλλον  υψηλών πιέσεων που δημιουργήθηκε το δείγμα βρίσκεται σε στερεή ή υγρή κατάσταση – παρόλο που εκτιμούν πως είναι στερεό, δεν θέλησαν μέχρι σήμερα να κάνουν τα απαραίτητα πειράματα, μήπως το δείγμα ήταν εξαιρετικά ασταθές και καταστρεφόταν.
Επίσης, θα πρέπει να ελέγξουν κατά πόσο θα παραμείνει στερεό όταν μειώσουν την πίεση, αν και υποθέτουν πως η απάντηση είναι θετική. Παράλληλα, θα χρειαστεί να επιβεβαιώσουν ότι παραμένει υπεραγώγιμο σε θερμοκρασίες δωματίου, μία ιδιότητα πάντως που δεν εξαρτάται από το αν θα διατηρηθεί σε στερεή κατάσταση ή θα μετατραπεί σε υγρό.