Вещество, которое может вызвать технологическую революцию

Что, если я скажу, что существует материал, который может стать самым мощным в мире ракетным топливом с удельной энергией, в двадцать раз превышающей удельную энергию двигателей Space Shuttle? Или что этот же материал может стать первым в мире веществом, проявляющим свойства сверхпроводимости при комнатной температуре, и что, если данная технология будет реализована, это будет такой гигантский шаг вперёд, что компьютеры станут в тысячи раз мощнее, чем сегодня? Этот прорыв поможет нам, наконец, воплотить вековую мечту человечества о ядерной энергетике. Применение такого материала не только сделало бы нынешние энергетические установки более безопасными и эффективными, но и полностью преобразили бы такие отрасли, как медицина и транспорт. Впервые гипотеза о возможности существования такого вещества была выдвинута ещё в 1935 году. И с тех пор учёные, не жалея времени и сил, пытаются проложить пути к его созданию. Сегодня мы, возможно, стали на шаг ближе к созданию такого вещества.

Всё, как всегда и везде, начинается с водорода. Водород пронизывает всю Вселенную. Это самый распространённый из всех химических элементов – его молекула состоит всего из одного протона и одного электрона. Однако если водород в газовом состоянии – это элементарно простое вещество, то при переходе из одного состояния в другое его сложность возрастает многократно. Доказательство этому – колоссальное вращающееся образование диаметром 8 000 миль, располагающееся под облачными вершинами Юпитера – самый гигантский океан в Солнечной системе. Давления, образующегося в глубинах планеты, достаточно для того, чтобы нарушить связи между протонами и электронами и перевести элемент в новое необычное состояние: не в плазму, не в газ, а в жидкий металлический водород.

Ключевое слово здесь – металлический. Теория 1935 года предсказала, что при достаточно высоком давлении водород будет проявлять свойства металла, по мере распада молекул на составляющие части превращаясь в электрический проводник. Металлы также характеризуются ярко выраженным блеском и прочностью, другими словами, обычный прозрачный газообразный водород станет непрозрачным.

Но что отличает металлический водород, например, от расплавленного золота? Разница в том, что металлы имеют решётку на атомном уровне. Решётка формируется из ионов, окруженных свободно движущимися электронами. Металлический водород не в состоянии сформировать такую решетку, так как у водорода нет ничего, кроме одного протона, и поэтому для формирования решётки у него не хватает составных частиц. И именно по этой причине металлический водород получает множество уникальных свойств.

Считается, что водород в металлическом состоянии может быть метастабильным, другими словами, он остаётся металлическим даже при снижении давления до нормального уровня. Картина напоминает ту, когда для того чтобы превратить углерод в алмаз, необходимо приложить огромное давление, но, если после этого убрать давление, алмаз не превратится опять в углерод, а будет оставаться алмазом. Однако на практике метастабильность металлического водорода мы проверить пока не можем, так как на Земле нет образцов металлического водорода. Правда, в своё время группа учёных из Гарварда утверждала, что им удалось создать такое вещество в лаборатории, но искомый образец исчез до того, как можно было провести его дальнейший анализ. Нет необходимости говорить о том, что к заявлениям, сделанным этими учёными, следует относиться весьма критически.

Тем не менее в прошлом году в журнале Nature были опубликованы результаты новых, более перспективных исследований.

Вначале исследовательская группа приступила к экспериментам, применяя небольшое давление (измеряемое в гигапаскалях, ГПа) к образцу плотного водорода. Водород оставался прозрачным как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Как было сказано выше, отличительными особенностями металлов являются их блеск и непрозрачность. Однако, когда давление было увеличено до 300 ГПа, образец перестал быть прозрачным в видимом спектре. Затем давление на образец постепенно увеличивалось до 400 ГПа и выше, то есть в 4 миллиона раз больше земного атмосферного давления. Когда давление увеличилось до 425 ГПа, образец перестал быть прозрачным в инфракрасном спектре. Водород стал отражать свет, то есть получил новое свойство, и это заставило исследователей поверить в то, что образец плотного водорода перешёл в долгожданное металлическое состояние.

Фазовый сдвиг образца был обратимым, хотя у исследователей нет уверенности, что при давлениях выше 425 ГПа водород сохранил бы металлические свойства. Используя существующие технологии, измерения свойств образцов водорода в экстремальных условиях (например, под большими давлениями или при низких температурах) проводить практически невозможно. По этой причине исследователи также не смогли измерить электропроводность образца – результаты таких измерений могли бы дать неопровержимые доказательства наличия металлического водорода. Даже вычислительные методы, прогнозирующие значения давления, при котором водород переходит в металлическое состояние, нельзя считать точными, так как мы не можем заложить в компьютерную модель необходимые поправки на квантовом уровне.

Тем не менее указанное исследование можно расценивать как лучшее доказательство того, что водород способен переходить в металлическое состояние. Если учёным действительно удастся создать металлический водород, такое вещество появится на нашей планете впервые в её истории. И это может произойти ещё при нашей жизни.

Основные проблемы, которые предстоит решить, будут касаться измерения параметров электрической проводимости и сопротивления металлического водорода. Это поможет понять, сможет ли этот элемент реализовать свой потенциал и, возможно, стать одним из самых ценных веществ на Земле.

Идеально было бы использовать металлический водород в качестве ракетного топлива, так как он лёгкий и занимает малый объём. Преобразование металлического водорода обратно в молекулярный водород позволит высвобождать огромное количество энергии, сопоставимое с той энергией, которая изначально потребовалась бы для создания металлического водорода, и это превратило бы металлический водород в сверхмощное горючее, которое сможет совершить революцию в ракетостроении. Для сравнения: удельный импульс (показатель того, насколько быстро ракетное топливо выбрасывается из задней части космического корабля, а также показатель эффективности космического снаряда) используемых в настоящее время ракет составляет около 450 секунд. Удельный импульс ракет на металлическом водороде оценивается в 1 700 секунд. Другими словами, выводимые на орбиту ракеты смогут иметь не две ступени, а всего одну, что позволит значительно увеличить полезную нагрузку ракет.

Таким образом, использование металлического водорода позволит нам более уверенно исследовать соседние миры и одновременно обеспечит долгожданный прогресс на нашей собственной планете – будут разработаны новые технологии хранения и передачи энергии, и кардинальные изменения претерпят устройства, которыми мы пользуемся в повседневной жизни. И, если исследования, подобные проведённым в прошлом году, продолжатся, теоретическая возможность создания металлического водорода превратится в практическую. Это открытие может стать одним из самых важных за всю историю человечества.

Узнайте подробности, как получить Level Up по навыкам и зарплате или востребованную профессию с нуля, пройдя онлайн-курсы SkillFactory со скидкой 40% и промокодом HABR, который даст еще +10% скидки на обучение.

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering