Невероятный металл

Водород, несмотря на его исключительную распространенность в природе (на него приходится 17 из каждых 100 атомов вещества земной коры), в быту нам практически незнаком. Многие ли из нас имеют дома, например, электролизные установки, позволяющие получать его из воды? Пожалуй, только вулканологи имеют шанс вдохнуть его во время извержения – если успеют: водород очень быстро рассеивается в атмосфере и вообще имеет обыкновение из-за высокой средней тепловой скорости улетать в космос.

Свободного водорода на Земле почти нет: он входит в состав воды, угля и нефти, минералов и живых существ, во многом определяя саму возможность их существования. Если кислород и углерод принципиально заменимы в процессах жизнедеятельности (например, фтором и кремнием), то у водорода таких химических «родственников» нет. Его ядро – протон, в редких случаях отягощенный нейтронами, фактически не экранируемый электронной оболочкой. «Оторвать» единственный электрон и превратить атом водорода в ион достаточно легко.

А что делают разноименные заряды? Правильно, притягиваются. Именно так и происходит с протоном, взаимодействующим с электронными оболочками других атомов, оставаясь при этом вне зоны действия сил ядерного отталкивания. Такая специфическая связь давно известна и называется, естественно, водородной. Она на порядок слабее обычных валентных, но ее влияние на свойства водородных соединений огромно. Большая часть уникальных свойств воды порождается именно водородными связями, и нельзя сказать, что мы знаем о воде все.

Совсем недавно выяснилось, что именно водородные связи помогают ферментам, катализаторам обменных реакций, «узнавать» целевые вещества. Более того, именно этот тип связи обеспечивает широкий спектр функций жизнедеятельности, среди которых: точное копирование молекул ДНК, сокращение мышечных волокон, корректная работа органов осязания и вкуса и еще много других, о которых мы, может быть, еще не имеем представления. Таким образом, «простейший» водород – абсолютно необходимый и незаменимый элемент живой материи.

Об удивительных свойствах водорода гораздо раньше биохимиков узнали физики. Еще бы: речь идет об основном топливе звездных «печей», обеспечивающих энергией все сущее. Простая цепочка термоядерных реакций приводит к превращению четырех атомов водорода в пару ядер гелия и высвобождению почти 27 МэВ энергии. Много это или мало? «Сжигая» всего лишь 1 г протонов, вы получите столько же энергии, сколько выделяет при полном сгорании треть вагона высококачественного угля (около 20 т). Вот это теплота сгорания! «Жарче» может быть только аннигиляция, в обозримом будущем человеку недоступная. Другой вопрос, что «термояд» требует, мягко говоря, специфических условий: гигантских температур и давлений, характерных для внутренних областей звезд и на Земле пока доступных исключительно в качестве оружия массового поражения.

Но (что хорошо как фактор политики сдерживания) для бытовой энергодобычи не подходит. И если оставить за скобками сверхмощные торсионные поля, существующие только при определенном накале шизофрении и способные оставить не у дел Siemens, General Electric, «Росатом» и прочих разработчиков энергетического оборудования, остается старое доброе ископаемое топливо. На нефть, газ и уголь (по сути – соединения углерода и водорода) приходится свыше 80 % мирового энергопотребления, и в обозримом будущем это соотношение если и изменится, то не слишком сильно.

Проблема в том, что сжигание углерода – процесс довольно грязный, оставляющий после себя кучу соединений, не способствующих долголетию. И если бы это был только углекислый газ! С этой точки зрения водород чист как слеза: продукт его окисления – вода, а температура этого экзотермического процесса достигает сумасшедших 2800 °C, суля немалое повышение КПД тепловых машин, к которым относятся и двигатели внутреннего и внешнего сгорания. Водородная горелка способна легко расплавить кварц и большинство металлов, и когда производство чистого водорода станет экономически адекватным, металлообработку ждет «гидрогенный переворот».

Кроме того, водород способен повысить рабочие температуры до 4000 °C, если использовать его не как топливо, а как переносчик и концентратор энергии, пропуская струю газа через пламя вольтовой дуги. В ней молекулярный водород «разваливается» (диссоциирует) на атомы, поглотив дополнительную энергию. На твердой металлической поверхности поток возвращается в молекулярную форму, передавая металлу принесенную энергию диссоциации и повышая его температуру.

Соблазн применения водородного топлива велик, особенно с учетом выдающейся теплоты сгорания в 120 МДж/кг (в три раза больше, чем у бензина), и нестабильность цен на ископаемое горючее, предугадать которые не дано даже господу Богу, подталкивает энергетиков к интенсификации работ. Но конца им не видно, причем препятствия здесь не технические и не технологические, а принципиальные, связанные с фундаментальными свойствами самого водорода.

Прежде всего, водородов… много! Одних его изотопов аж семь видов: от хрестоматийного протия с протонным ядром, стабильных дейтерия и трития до ультракороткоживущих гексия и септия, у которых ядро нагружено пятью или шестью «лишними» нейтронами. Но это не все: протоны и нейтроны обладают, помимо всего прочего, еще и магнитными моментами. Если они одинаково ориентированы, то мы имеем дело с молекулой так называемого ортоводорода, а если нет – перед нами параводород. Так что сказочная «живая» и «мертвая» вода вполне может иметь реальные изотопические и изометрические различия. А если заменить протон или электрон их мезонными аналогами, частицами, отвечающими за внутриядерные взаимодействия и обладающими аналогичными зарядом и массой? Вот тебе и простейший элемент!

Но с каким бы водородным изомером ни пришлось иметь дело, он все равно чрезвычайно легок. Ранее уже отмечалась превосходная удельная теплота сгорания водорода. Но попробуйте собрать этот «удельный» килограмм: литр охлажденного до 20 К и перешедшего в жидкую фазу водорода весит чуть более 70 г! А если эту жидкость охладить еще на шесть градусов, то получится «ледяной» кубик плотностью 80 кг/м³, удерживаемый в таком состоянии только силами межмолекулярного взаимодействия (т. н. силами Ван-дер-Ваальса), чрезвычайно слабыми по сравнению, например, с ионными или ковалентными связями, обеспечивающими стабильность веществ.

Это значит, что твердая фаза водорода – никакой не металл. Наоборот, он проявляет типичные свойства изолятора и склонен при малейшем изменении внешних условий разрушаться. Объяснение тому простое: атомы водорода сохраняют структуру, и связь между протоном и электроном остается стабильной. Обычный способ ее разрушения – температурная ионизация – в данном случае явно не годится. Металлизировать водород, то есть расположить его атомы в пространственно упорядоченной структуре и погрузить их в электронный «газ», состоящий из обобществленных электронов, придется другими способами.

Принципиальную возможность существования такой формы водорода предсказали Юджин Вигнер и Хиллард Б. Хантингтон, опубликовав в октябрьском номере авторитетного «Журнала химической физики» статью «О возможности металлической модификации водорода» (On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen). Главными условиями металлизации они назвали низкую температуру и сверхвысокое давление (порядка 250 тыс. атм). Конечный продукт, по их расчетам, должен иметь метастабильную объемно-центрированную решетку, а его плотность должна в шесть раз превысить плотность твердого молекулярного водорода (0,59 вместо 0,09 г/см³).

В 1968 году профессор физики Корнельского университета Нейл Ашкрофт предположил, что металлический водород будет сверхпроводником при высоких температурах (больше 200 К), а также обосновал парадоксальную возможность существования металлического водорода в виде… жидкости! С его легкой руки тема металлического водорода стала одной из важнейших задач физики твердого тела.

Масла в огонь подлили астрофизики, высказавшие идею: планеты-гиганты, Юпитер и Сатурн, представляют собой природные фабрики гипотетического металла. Во-первых, они более чем на 90 % состоят из водорода. Во-вторых, на них, мягко говоря, холодно: юпитерианское лето – это минус 100 °C. И, наконец, гиганты обладают довольно мощным магнитным полем. Одни только эти факты наводят на мысль о металлическом сверхпроводниковом ядре Юпитера!

В начале июля к Юпитеру подлетит «Юнона» (Juno, также Jupiter Polar Orbiter), автоматическая межпланетная станция, второй аппарат программы New Horizons. По плану станция должна совершить 32 двухнедельных витка по приполярной орбите и построить карту магнитосферы. Оснащению «Юноны» может позавидовать иная геофизическая лаборатория на Земле. Станция несет магнитометр MWR, детектор частиц JEDI, отображающий распределение ионов гелия, водорода, кислорода в магнитном поле, масс-спектрометр JADE, фиксирующий частицы в полярном сиянии, детектор плазменных и радиоволн, спектрограф ультрафиолетового излучения UVS для определения структуры полярных сияний, инфракрасную камеру высокого разрешения JIRAM и камеру видимого спектра JunoCam. На борту «Юноны» есть и нехитрые сувениры: табличка с портретом Галилея и алюминиевые фигурки LEGO, изображающие римского бога Юпитера, его жену Юнону и великого Галилея.

Последняя четверть минувшего века была, пожалуй, пиковой в экспериментальном подтверждении гипотезы Ю. Вигнера, и миссия «Юноны» представляется как логичное продолжение этих работ. Сложностей добавляет и собственный «вертлявый» характер водорода, легко проникающего в металлические прокладки и образующего хрупкие гидриды. А сжатый до квазитвердого состояния, он ведет себя совершенно непредсказуемо, сохраняя относительно большой момент вращения, даже будучи выстроенным в плотную решетку.

Первыми установками получения металлического водорода стали алмазные наковальни. Конечно, никаких кувалд в них нет, наоборот, их устройство заставляет вспомнить искусство Левши, примененное к объектам в тысячи раз меньшим, чем блошиная подковка. Типичный объем материалов составляет 1 кубический микрон (напомним, что микрон – тысячная часть миллиметра). Установка представляет собой два ограненных искусственных алмаза, соприкасающихся остриями. Если с помощью пресса сжать алмазы, то в месте их контакта будет развиваться значительное давление, часто превышающее 250 тыс. атм, предсказанные Ю. Вигнером. Сегодня в алмазных наковальнях исследователи уверенно работают с давлениями до 2 млн атм, а рекорд вообще составил целых 3,75 млн атм!

Основные затраты в изготовлении алмазных наковален приходятся на обработку наконечников кристаллов, по сравнению с которой огранка ювелирных бриллиантов – занятие для кустарей-халтурщиков. Вершины бриллиантов – не просто конусы, а плоские площадки-калетты (англ. culet) размером в несколько десятков микрон (обычно для давлений до 200 атм используются наковальни с диаметром калетты 0,6–0,8 мм, до 1000 атм – 0,1–0,2 мм). Калетты имеют металлическую подложку, наносимую литографским способом и служащую для снятия электрических сигналов.

Для работы с жидкими и газообразными субстанциями наковальни снабжаются так называемыми гаскетами (англ. gasket). По сути, это «дырка от бублика» – отверстие в тонкой металлической пластине, проложенной между калеттами. Типичный объем образцов, сжимаемых в гаскете, – несколько кубических микрон.

Многочисленные опыты на алмазных наковальнях показали, что при давлениях до 2 млн атм водород может существовать по крайней мере в трех квазиметаллических фазах, оставаясь при этом диэлектриком. Расчеты показывают, что качественный переход возможен при достижении порога в 4–4,5 млн атм: охлажденный почти до абсолютного нуля водород должен стать сверхпроводником.

Возможно, эта сверхзадача будет решена на установках ударного (взрывного) сжатия или на экзотической Scandia Z-machine (в ней импульс сжатия формируется электромагнитной волной, порождаемой мощнейшим рентгеновским излучением). Теоретически эти установки способны развивать кратковременное (порядка нескольких микросекунд) давление до 20 млн атм. Во всяком случае, отметка «15 миллионов» уже пройдена научными группами из Ливерморской национальной лаборатории (США), НИИЭФ и Института проблем химической физики РАН (Россия).

Металлический водород – крепкий орешек, который еще не скоро удастся расколоть (речь идет не о микрограммах, регулярно получаемых в различных лабораториях, а о сколько-нибудь объемном производстве). И сегодня, когда мы вступили в период дешевой нефти (а сколько он продлится, никому не ведомо), о водородном супертопливе можно забыть. На время. Пока опять не клюнет…