Klemmer hydrogen ut av isen

Kan kanskje brukes til å lagre hydrogen for brenselceller i elbiler.

Publisert
Strukturen i et iskrystall. Oksygenatomer er blå og hydrogenatomer er lyserøde. Frie hydrogenatomer er gullfargede. Tidligere trodde forskerne at disse bare fantes inne i den grå mangekanten, som på figuren. De nye resultatene viser at de kan være andre steder. Dette kan forklare at hydrogenatomene frigjøres ved lavere trykk enn antatt. (Foto: (Figur: Oak Ridge National Laboratory))
Strukturen i et iskrystall. Oksygenatomer er blå og hydrogenatomer er lyserøde. Frie hydrogenatomer er gullfargede. Tidligere trodde forskerne at disse bare fantes inne i den grå mangekanten, som på figuren. De nye resultatene viser at de kan være andre steder. Dette kan forklare at hydrogenatomene frigjøres ved lavere trykk enn antatt. (Foto: (Figur: Oak Ridge National Laboratory))

Forskere har klart å vise hvordan det går an å klemme hydrogen ut av is.

De har brukt nøytronstråler for å avsløre isens hemmeligheter og har funnet ut at det ikke er nødvendig å klemme isen så hardt sammen for å løsne hydrogenet som de trodde tidligere.

Med is i tanken?

Det kan kanskje bety at forskerne har funnet et materiale som kan brukes til å lagre fritt hydrogen som kan brukes i brenselceller, ifølge en nyhetsmelding fra Carnegie Institution.

Slike brenselceller kan blant annet drive elbiler. Mye forskning gjøres for å finne en trygg og enkel måte å lagre hydrogen på til brenselceller.

Ser med nøytronkanon

Det har ikke vært lett å studere hva som skjer når isen klemmes så hardt sammen. Den har et trykk som er over en halv million ganger høyere enn lufttrykket på jordas overflate.

Ved et slikt trykk trenger ikke stråler så lett inn. Forskere har forsøkt å se hva som skjer i nærmere 50 år.

Nå har en ny sterk nøytronkanon på Oak Ridge National Laboratory i USA endelig klart det.

Metoden som er brukt, kalles nøytrondiffraksjon. En stråle med elektrisk nøytrale kjernepartikler, nøytroner, sendes mot stoffet som skal undersøkes. Partiklene spretter tilbake, omtrent som elastiske kuler, og treffer en detektor. Retningen de spretter tilbake med, avslører hvilke atomer som befinner seg hvor i stoffet. (Foto: (Figur: forskning.no))
Metoden som er brukt, kalles nøytrondiffraksjon. En stråle med elektrisk nøytrale kjernepartikler, nøytroner, sendes mot stoffet som skal undersøkes. Partiklene spretter tilbake, omtrent som elastiske kuler, og treffer en detektor. Retningen de spretter tilbake med, avslører hvilke atomer som befinner seg hvor i stoffet. (Foto: (Figur: forskning.no))

Spretter som kuler

Nøytroner er partikler fra atomkjernen uten elektrisk ladning. De kan skytes mot stoffer i en nøytronstråle, omtrent som en maskingeværsalve med nøytronkuler.

Når nøytronkulene treffer atomkjernene i stoffet som skal studeres, spretter de til alle kanter. Hvilken retning de spretter, avhenger av hva slags atomkjerner de treffer.

Slik kan forskerne finne ut hvor atomkjernene ligger inne i stoffene.

Må ikke klemme så hardt

De ligger noen ganger på andre steder enn der gamle teorier sier at de skal være. Det er derfor at frie hydrogenatomer kan finnes ved lavere trykk en forskerne hittil har trodd.

Det er altså ikke nødvendig å klemme så hardt. Hydrogenet kommer ut av vannmolekylene likevel.

Planlegger nøytronanlegg i Sverige

Professor Bjørn Hauback ved reaktoren JEEP II i laboratoriet på Kjeller. Reaktoren er en av hovedgrunnene til IFEs internasjonale posisjon på hydrogenområdet.
Professor Bjørn Hauback ved reaktoren JEEP II i laboratoriet på Kjeller. Reaktoren er en av hovedgrunnene til IFEs internasjonale posisjon på hydrogenområdet.

- Dette arbeidet er enestående og interessant på grunn av den nye kunnskapen som er avdekket for forståelse av vann og is, skriver Bjørn Christian Hauback i en epost til forskning.no.

Hauback er avdelingsleder ved Institutt for energiteknikk (IFE), og kjenner godt til anlegget ved Oak Ridge, der forsøkene er gjort.

Foreløpig er det bare dette anlegget, og ett i Japan, som kan lage kraftige nok nøytronstråler til denne typen eksperimenter.

Men om 8-10 år vil et nytt europeisk anlegg etter planen stå klart i Lund i Sverige, kan Hauback fortelle.

- Kan bidra til store endringer

Han forklarer at nøytronstråler er spesielt egnet til å se hydrogen i materialer, fordi det lette hydrogenet sprer nøytronene like godt som tyngre grunnstoffer.

- Hydrogenlagring i faste materialer kan bli viktig for framtidens energisystem, skriver Hauback til forskning.no

- Spesielt de siste 10 årene har en rekke av de mest lovende hydrogenlagringsmaterialene blitt studert og karakterisert ved hjelp av nøytroner på IFE, fortsetter han.

Han mener at avanserte nøytronkilder som i USA og Japan og seinere i Europa er viktig for ny kunnskap som igjen vil bidra til store endringer, for eksempel innen bruk av energi.

Superionisk vann

Superionisk vann kan finnes i dypet av atmosfæren på kjempeplanetene Uranus (bildet) og Neptun. (Foto: Lawrence Sromovsky, University of Wisconsin-Madison, Keck Observatory)
Superionisk vann kan finnes i dypet av atmosfæren på kjempeplanetene Uranus (bildet) og Neptun. (Foto: Lawrence Sromovsky, University of Wisconsin-Madison, Keck Observatory)

Den nye kunnskapen kan også brukes til å forstå mer om det mystiske stoffet som kalles superionisk vann, ifølge forskerne.

Det er verken vann eller is, men begge deler på en gang. Ingen har ennå klart å lage det.

Slikt superionisk vann kan finnes inne i jorda, og i atmosfæren til kjempeplanetene Uranus og Neptun.

Nye teorier

Hvis forskerne klarte å lage superionisk vann, ville det være hardt som jern og gløde gult, sier teoriene.

Nå tror forskerne at de nye resultatene deres gir en ny mulighet: Superionisk vann finnes ved lavere trykk enn hva forskerne har trodd tidligere.

Den nye kunnskapen kan forandre teoriene om hva som skjer i sammenklemt is.

Kan gi magnetfelt

Kanskje er det slik at hydrogen kan vandre fritt gjennom isen inne i planetene, der trykket er høyt nok.

Siden dette hydrogenet er elektrisk ladet, kan det gi elektriske strømmer inne i klodene. Disse strømmene kan kanskje danne magnetfeltene til planetene Uranus og Neptun, tror forskerne.

Referanse:

Malcolm Guthrie et.al: Neutron diffraction observations of interstitial protons in dense ice, Proceedings of The National Academy of Sciences, Early Edition, 10.6.2013