Når forskerne sender lys gjennom sammenpresset hydrogen, kan de se om det har gått over i en annen form. Målet er å lage metallisk hydrogen, et stoff som kan gjøre rakettdrivstoff tjue ganger mer effektivt. Kanskje er stoffet også superledende og superflytende, altså uten elektrisk og mekanisk motstand. Forskere har også spekulert på om det superlette og sterke metalliske hydrogenet kan brukes til å bygge flytende byer på havet. (Illustrasjon: Philip Dalladay-Simpson and Eugene Gregoryanz/Nature)
Når forskerne sender lys gjennom sammenpresset hydrogen, kan de se om det har gått over i en annen form. Målet er å lage metallisk hydrogen, et stoff som kan gjøre rakettdrivstoff tjue ganger mer effektivt. Kanskje er stoffet også superledende og superflytende, altså uten elektrisk og mekanisk motstand. Forskere har også spekulert på om det superlette og sterke metalliske hydrogenet kan brukes til å bygge flytende byer på havet. (Illustrasjon: Philip Dalladay-Simpson and Eugene Gregoryanz/Nature)

Stoffet som kan revolusjonere romfarten

Ett skritt nærmere metallisk hydrogen.

Publisert

Hydrogen er det vanligste stoffet i universet. Det er også et bra rakettdrivstoff. Men det kan bli bedre. Mye bedre.

På tampen av måneferdene – i 1972 – gjorde russiske fysikere en oppdagelse som banet vei for at hydrogen kan bli framtidas superdrivstoff for måneraketter. Men ikke vanlig hydrogen.

Hvis du trykker sammen hydrogen kraftig nok, blir det nemlig som et metall. Men ikke nok med det – det holder seg stabilt i denne sammentrykte tilstanden.

Til månen i ett trinn

Det sammentrykte, metalliske hydrogenet forbrenner ikke, slik som andre rakettdrivstoffer. Det lager energien på en annen måte.

Når det metalliske hydrogenet går over fra sin tette form og blir vanlig hydrogengass, frigjøres det energi. Mye energi.

– Dette er mer enn tjue ganger den spesifikke energien som frigis av forbrenningen av hydrogen og oksygen i romfergas hovedmotorer, skrev fysikerne Isaac F. Silvera og John W. Cole fra Harvard University i en studie fra 2010.

Forskerne anslår at en månerakett drevet med metallisk hydrogen kunne gjøre unna hele reisen til månen med bare ett rakettrinn. Saturn V-rakettene som tok amerikanske astronauter til månen på seksti- og syttitallet hadde tre trinn.

Ambolt av diamant

Det er bare et lite problem. Ennå har ingen klart å lage metallisk hydrogen. Men forskerne kommer stadig nærmere dette stoffet, som kalles fysikkens hellige gral.

Det siste skrittet er tatt av forskere i USA og Kina. De har trykket sammen hydrogen med det som kalles en diamant-ambolt.

Diamant er verdens hardeste stoff. Trykket mellom diamantene i ambolten blir tilsvarende stort – 3,2 millioner atmosfærer, altså 3,2 millioner ganger høyere enn lufttrykket ved jordas overflate.

Forskerne sendte lys gjennom diamantene og så hvordan hydrogenet endret lyset. Disse endringene viser at hydrogenet var i ferd med å danne et forstadium til metallisk hydrogen, ifølge studien i tidsskriftet Nature.

En ambolt av diamanter presser hydrogenet sammen ved 27 grader C, tilnærmet romtemperatur. Når hydrogenet gjennomlyses, kan fargeforandringer i lyset vise hvilken tilstand det er i. Dette kalles Raman-spektroskopi. (Foto: (Illustrasjon: Philip Dalladay-Simpson and Eugene Gregoryanz/Nature))
En ambolt av diamanter presser hydrogenet sammen ved 27 grader C, tilnærmet romtemperatur. Når hydrogenet gjennomlyses, kan fargeforandringer i lyset vise hvilken tilstand det er i. Dette kalles Raman-spektroskopi. (Foto: (Illustrasjon: Philip Dalladay-Simpson and Eugene Gregoryanz/Nature))

Flere faser

Denne nye studien klarte altså heller ikke å lage metallisk hydrogen.

– Dette arbeidet er likevel viktig, skriver Asle Sudbø, professor i fysikk ved NTNU, i en e-post til forskning.no.

I studien i Nature viser forskerne hvordan hydrogenet gikk gjennom fire forskjellige faser etter hvert som trykket økte.

Den siste fasen er trolig en blanding av vanlig og metallisk hydrogen, selv om dette fortsatt ikke er bekreftet, ifølge en pressemelding fra Nature.

– At de aller enkleste atomene som finnes kan framvise så komplekse faser, representerer fascinerende kollektive effekter. «More is different», som nobelprisvinner i fysikk, Phillip W. Anderson, har uttrykt det, kommenterer Sudbø.

Elektroner på bølgelengde

Hvorfor er det egentlig så vanskelig å lage metallisk hydrogen? Hydrogen er tross alt i den samme kjemiske gruppa som alkalimetaller – for eksempel litium, kalium og natrium.

Forklaringen ligger i det sterke båndet som binder to hydrogenatomer sammen. Dette båndet er ett av de sterkeste båndene i hele kjemien, ifølge studien i Nature.

Hvorfor er dette båndet så kraftig? Forklaringen ligger i måten elektronene oppfører seg på. De er dels partikler, dels bølger, slik kvantemekanikken beskriver dem.

Hvert hydrogenatom har ett elektron. Bølgene fra elektronene reagerer med hverandre i en kvantemekanisk utveksling og trekker to hydrogenatomer sammen.

Akkurat som for menneskepar svinger det dårlig hvis enda et hydrogenatom prøver å koble seg på. Det blir frastøtt. Den vanlige formen for hydrogen er altså to hydrogenatomer i tett binding, H2.

Kvantemekanisk skilsmisse

For å lage metallisk hydrogen må du lage skilsmisse mellom disse to hydrogenatomene. Du må bryte det sterke båndet ved å presse hydrogenet sammen.

– Fra et grunnleggende fysisk synspunkt er dette en demonstrasjon av helt grunnleggende fenomener i kvantemekanikk. En kan si at de ville være en spektakulær demonstrasjon av elektroners bølgenatur, kommenterer Sudbø.

Inne i kjempeplaneter

Også for planetforskere kan metallisk hydrogen gi ny innsikt – i de store gassplanetene, som Jupiter og Saturn.

Inne i disse planetene er trykket så høyt at hydrogen blir metallisk i et tykt lag under den øverste atmosfæren.

Ved disse voldsomme trykkene, når båndet mellom hydrogenatomene blir brutt, lager de en tett krystallstruktur – metallisk hydrogen. Andre metaller har også en slik krystallstruktur. I denne strukturen flyter elektronene fritt.

Kjempeplaneter som Jupiter består for en stor del av hydrogen. Siden planeten er så stor, er tyngdekraften sterk nok til å presse hydrogen til metallisk form i den grå sonen i tverrsnittet. (Foto: (Illustrasjon: NASA/R.J.Hall))
Kjempeplaneter som Jupiter består for en stor del av hydrogen. Siden planeten er så stor, er tyngdekraften sterk nok til å presse hydrogen til metallisk form i den grå sonen i tverrsnittet. (Foto: (Illustrasjon: NASA/R.J.Hall))

Superledende og superflytende

Dermed kan de flyte gjennom metallet. De kan lede elektrisk strøm. Beregninger viser at metallisk hydrogen også kan bli en superleder, altså en leder helt uten elektrisk motstand, der strømmen flyter fritt i det uendelige.

Ved bestemte trykk og temperaturer kan metallisk hydrogen også bli en supervæske. Det er en væske som flyter uten motstand.

Hvis havet på jorda var en supervæske, kunne du sjøsatt en båt i Stavanger, gitt den et lite dytt og sett den ankomme New York noen måneder seinere i samme fart.

Dette er selvfølgelig forutsatt riktig kurs, vindstille og at dekket på båten er helt tett. Ellers ville nemlig supervæsken rent inn over ripa på båten og fylt den.

Flytende byer

Hvis metallisk hydrogen er stabilt, superledende og superflytende, snakker vi om et stoff med uante muligheter. Også den faste varianten kan sette fyr på fantasien.

Stoffet er lett og supersterkt, og kan brukes til å bygge hele byer som flyter på havet, ifølge forskere som Amato siterer i kommentaren i Nature fra 2010.

Diamanter varer evig

Alle disse fantasiene krever likevel at metallisk hydrogen faktisk kan lages, og at det holder seg metallisk.

Hvis det gjør det, har det likhetspunkter med stoffet som er brukt i ambolten for å presse hydrogenet sammen – diamant.

Diamant er jo egentlig det samme som kull, altså karbon. Den eneste forskjellen mellom en klump svart kull og en skinnende diamant er at karbonatomene er klemt sammen i et tett krystallmønster.

Og krystallet holder seg sammen, selv når trykket forsvinner. Diamant er diamant, og blir ikke kullklump av seg selv igjen. Slik oppfører forhåpentligvis metallisk hydrogen seg også.

En ny studie i Nature klargjør hvilke trykk og temperaturer som må til for å komme videre i forsøkene på å lage metallisk hydrogen. Kanskje er ikke metall-ambolten i stand til å levere det som skal til. (Foto: (Illustrasjon: Philip Dalladay-Simpson og Eugene Gregoryanz/Nature))
En ny studie i Nature klargjør hvilke trykk og temperaturer som må til for å komme videre i forsøkene på å lage metallisk hydrogen. Kanskje er ikke metall-ambolten i stand til å levere det som skal til. (Foto: (Illustrasjon: Philip Dalladay-Simpson og Eugene Gregoryanz/Nature))

Flere forsøk

Forskerne bak denne siste studien i Nature er ikke de første som har prøvd å bruke diamanter for å presse seg fram til metallisk hydrogen.

I 2011 hevdet to tyske forskere at de hadde klart å lage metallisk hydrogen med diamant-ambolten.

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

Mye kunne ha gått galt under forsøkene. Fargeforandringene som forskerne så, kunne for eksempel skyldes skade på diamantene, ikke at hydrogenet ble et metall.

Z-maskinen

Sommeren 2015 kom nyheten igjen: Forskere hadde klart å lage metallisk hydrogen, men denne gangen på en helt annen måte.

Amerikanske og tyske forskere hadde brukt Z-maskinen ved Sandia National Laboratories til å lage ultrakorte høytrykkspulser som presset sammen hydrogen.

Z-maskinen lager voldsomt høyt trykk ved hjelp av strømpulser i en elektrisk ladet gass. Sterke magnetfelt dannes i gassen, og presser den sammen. Disse resultatene er også usikre.

– Det er også andre grupper enn Sandia som rapporterer dette. Tilstanden rapportert i pulseksperimentene er uansett ikke langlivet og stabil. Den eksisterer foreløpig kun på svært korte tidsskalaer, kommenterer Sudbø.

Referanser:

Philip Dalladay-Simpson, Ross T. Howie & Eugene Gregoryanz: Evidence for a new phase of dense hydrogen above 325 gigapascals, Nature 7. januar 2016, doi:10.1038/nature16164, sammendrag.

Ivan Amato: Metallic hydrogen: Hard pressed. Kommentar i Nature 13. juni 2012.

Isaac F. Silvera og John W. Cole: Metallic Hydrogen: The Most Powerful Rocket Fuel Yet to Exist, Journal of Physics: Conference Series 215 (2010) 012194 doi:10.1088/1742-6596/215/1/012194.

Z machine puts the squeeze on metallic deuterium, nyhetsmelding på nettstedet Chemistry World, 25. juni 2015.