Айзек Азимов - Загадки мироздания
Однако сам по себе, не в соединении с другими элементами, водород не встречается. Выделение же атомов кислорода из различных молекул было поначалу процессом сложным и дорогим. Это делалось путем обработки некоторых металлов кислотами или пропускания электрического тока через воду — для скромных нужд XIX века таких технологий было достаточно.
Вскоре после Второй мировой войны представители группы нефтяных и газовых компаний собрались для разработки совместного проекта по производству горючего из природного газа. Ими была изобретена технология сжигания природного газа с последующим глушением пламени в нужный момент для того, чтобы реакция горения осталась незавершенной и вместо углекислого газа и воды ее продуктами оказались угарный газ и водород. Эти два газа при определенных условиях можно снова объединить с получением топлива.
Сработало. Но получение горючего таким образом оказалось экономически нерентабельным по сравнению с получением его из огромных естественных нефтяных месторождений, обнаруженных во время и после войны. Однако научная работа была проведена не зря. Разработанный учеными механизм оказался самым дешевым способом получения водорода.
Следовательно, когда в середине XX века возникла потребность в большом количестве водорода, ее было чем удовлетворить. А вот предоставить водород непременно в жидком виде оказалось сложнее.
На протяжении всего XIX века химики пытались сжижать газы. Некоторые, например хлор и диоксид серы, легко поддавались усилиям исследователей. Стоило чуть остудить их, и они сразу же переходили в жидкое состояние. Впрочем, достаточно было и некоторого увеличения давления, без снижения температуры.
Другие же газы, например кислород, азот и водород, упорно отказывались сжижаться, несмотря ни на значительное снижение температуры, ни на повышение давления. Их классифицировали как «постоянные газы». Однако уже в 1869 году химиками было обнаружено, что, если не опустить температуру ниже некоей «критической точки», то никакое давление не поможет перевести газ в жидкую форму. Получается, что для таких газов, как кислород, азот и водород, такая критическая точка находится на очень низкой отметке температурной шкалы.
Тогда химики сосредоточили свои усилия на снижении температуры, и к 1880-м годам удалось перевести в жидкую форму кислород и азот. Азот дался труднее. Жидкий азот закипает при -195 °С, а водород даже и при этой температуре остается газом.
И только в 1895 году английский химик Джеймс Дьюар сумел первым получить жидкий водород. Температура кипения этого вещества оказалась -53 °С, лишь на 20 градусов выше абсолютного нуля — самой нижней точки температурной шкалы.
Итак, оказалось, что жидкий водород получать можно, а если затратить достаточно усилий — его можно получать и в большом количестве. Однако еще на протяжении пятидесяти лет он оставался не более чем лабораторным курьезом.
Главной проблемой в отношении жидкого водорода было то, что эта жидкость крайне нестабильна и в любой момент может испариться. Самая тщательная лабораторная изоляция помогала лишь до определенной степени, поскольку жидкий водород сам по себе генерирует некоторое количество тепла.
Это явление заслуживает отдельного объяснения. При обычных условиях водород существует в виде скопления молекул, каждая из которых представляет собой пару атомов.
Каждый атом водорода состоит в основном из одной центральной постоянно вращающейся частицы, именуемой «протоном». В одних молекулах водорода протоны обоих атомов вращаются в одном направлении; в других — в противоположном. Первая разновидность водорода получила название «ортоводород», а вторая — «параводород». В обычном газообразном водороде три четверти молекул — это ортоводород, а оставшаяся четверть — параводород.
В молекуле ортоводорода содержится больше энергии, чем в молекуле параводорода. При переходе водорода в жидкую форму ортомолекулы постепенно превращаются в менее энергичные парамолекулы. Разница в энергетическом уровне орто- и параводорода в таком случае высвобождается в виде тепла.
Постепенное превращение ортомолекул в парамолекулы приводит к постепенному же нагреванию общей массы жидкого водорода и выпариванию последнего со скоростью один процент в час, даже если камера с водородом идеальным образом изолирована. Более того, если камера не вентилируется, то давление в ней может при этом возрасти до опасного уровня.
Напрашивается решение проблемы путем предварительного превращения всех ортомолекул в парамолекулы. Тогда мы получим чистый параводород, который, при должной изоляции, можно держать в жидком состоянии очень долго.
Существуют вещества, способные послужить катализаторами процесса и ускорить такое превращение. К примеру, уже в 1929 году было обнаружено, что ускорению нужного превращения способствует угольный порошок. А в 1952 году, когда нужда заставила, ученые выяснили, что с помощью особым образом обработанного оксида железа можно за несколько секунд превращать ортоводород в параводород в больших количествах.
После доработки процедуры в промышленных масштабах стало возможным массовое получение жидкого водорода в такой форме, когда в условиях должной изоляции путем испарения жидкость теряет один процент не за час, а за трое суток. Цена производства такого водорода упала до одного доллара за килограмм, и сейчас строятся заводы, где будет вырабатываться по двадцать и более тонн водорода в сутки. Потребность человечества в водороде удовлетворена полностью и останется удовлетворенной, несмотря на свой постоянный рост.
Кажется, брезжит еще один, новый способ использования водорода — для производства электроэнергии. Как правило, электричество вырабатывается генератором, работающим на тепловой энергии горящего угля или мазута (или на энергии падающей воды). При переходе энергии из тепловой формы в электрическую значительная часть ее неизбежно теряется. Если бы можно было объединять топливо с кислородом напрямую в единой электрической батарее (так называемой «топливной батарее»), то весь процесс в целом можно было бы сделать более эффективным.
В экспериментах по созданию топливных батарей испытывались различные виды топлива: угольный порошок, угарный газ, метан. Трудности практического характера, лишающие такие батареи экономической рентабельности, велики, но преодолимы. Наиболее перспективной кажется на сегодняшний день водородно-кислородная топливная батарея. Такие батареи уже работают, по крайней мере в небольших масштабах, и, возможно, не за горами тот день, когда с помощью водорода электричество станет, таким образом, дешевле и доступнее.
После войны жидкий водород получил новое, экзотическое применение в пузырьковых камерах, предназначенных для отлавливания странных короткоживущих ядерных частиц, производимых мощными современными машинами, расщепляющими атомы. Изобрел эти камеры в 1952 году американский физик Дональд Глейзер. Одна пузырьковая камера находится в Калифорнийском университете — она имеет длину 1,2 метра и содержит 570 литров жидкого водорода.
Но и для топливных батарей, и для пузырьковых камер требуется сравнительно немного жидкого водорода. Основной расход всего жидкого водорода, который может произвести современная промышленность, — это использование в качестве топлива ракет и реактивных двигателей. В частности, жидкий водород может питать энергией те огромные ракеты, что унесут человека на Луну.
Одна из причин, побуждавших государства после войны в спешке производить жидкий водород в огромных объемах, исчезла. Да, в первых примитивных водородных бомбах действительно использовался жидкий водород, но это оказалось непрактичным. Соблюдение требований к изоляции приводило к настолько значительному увеличению размера и веса бомбы, что она превращалась в нечто чудовищное и неподъемное.
Очевидным выводом стало использование не самого водорода, а соединения водорода с легким металлом — литием. Соединение это, гидрид лития, оказалось не менее взрывчатым после взрыва запала, чем сам водород. При этом гидрид лития является твердым веществом при обычной температуре, представляя собой, таким образом, хранилище водорода в компактном виде безо всякой изоляции или нагнетания давления. В таком виде водородная бомба сразу стала готовой к размещению на борту самолета или в ракетной боеголовке.
Мы все, конечно, надеемся, что водородная бомба никогда не будет использована. Но вот другой вариант применения процесса слияния ядер водорода, напротив, является предметом надежд всего человечества. Если человек научится управлять этим процессом и сможет сделать его медленным и постоянным, то все энергетические потребности человека будут удовлетворены на неопределенный срок.
