Παραγωγή και παρουσία υδρογόνου στο διάστημα. Υδρογόνο στη φύση (0,9% στον φλοιό της Γης)

Άχρωμο, άοσμο, εύφλεκτο αέριο. Η πυκνότητα του υδρογόνου υπό κανονικές συνθήκες είναι 0,09 kg/m3. πυκνότητα αέρα - 0,07 kg/m3; θερμογόνος δύναμη - 28670 kcal/kg. ελάχιστη ενέργεια ανάφλεξης - 0,017 mJ. Σχηματίζει ένα εκρηκτικό μείγμα με αέρα και οξυγόνο. Ένα μείγμα με χλώριο (1:1) εκρήγνυται στο φως. με φθόριο υδρογόνοΣυνδέεται με μια έκρηξη στο σκοτάδι. μείγμα με (2:1) - εκρηκτικό αέριο. Όρια έκρηξης: από 4 - 75 vol. %, με οξυγόνο 4,1 - 96 vol. %.

Την ημέρα που εξαντληθούν τα αποθέματά του, η ζωή στο Σύμπαν θα σταματήσει. Η ουσία, χωρίς την οποία η ζωή είναι αδύνατη, «κάθεται» στο κέντρο του πλανήτη μας - μέσα και γύρω από τον πυρήνα, και από εκεί «μεταναστεύει» προς τα έξω. Αυτό το αέριο είναι η αρχή όλων των αρχών. Το όνομά του - " υδρογόνο».
Υδρογόνοπου βρίσκονται μέσα και γύρω από τον πυρήνα. Ακολουθεί ο πυκνός μανδύας. Αλλά αυτό το αέριο μεταναστεύει αθόρυβα μέσα από τη βραχώδη μάζα. Όταν η Γη ήταν νέα, υπήρχε πολύ περισσότερο υδρογόνο στα βάθη, και από τα βάθη έβγαινε σε όλη τη Γη. Όταν μειώθηκε, η διαδικασία σταθεροποιήθηκε σχετικά και υδρογόνοάρχισαν να «βγαίνουν» σε ειδικές ζώνες, κατά μήκος των ρηγμάτων των ωκεάνιων κορυφογραμμών.
Φυσικά, η σύγχρονη ζωή στη Γη προέκυψε με ένα ορισμένο δυναμικό οξυγόνου. Αλλά για να είμαστε αντικειμενικοί, οφείλουμε την αρχή όλων των αρχών στον πλανήτη μας υδρογόνο. Ήταν ο δυναμικός κύκλος του υδρογόνου, η διαδικασία εισόδου του από τα έγκατα της Γης, και όχι ο άνθρακας, όπως πίστευαν παλαιότερα, που έγινε η πηγή της προέλευσης της ζωής στη Γη.

Το Υδρογόνο και το Σύμπαν

Συνήθως, για να τονίσουν τη σημασία ενός συγκεκριμένου στοιχείου, λένε: αν δεν ήταν εκεί, τότε θα είχε συμβεί αυτό και αυτό. Αλλά, κατά κανόνα, αυτό δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια ρητορική συσκευή. Και εδώ υδρογόνομπορεί κάποια μέρα να μην γίνει πραγματικά, γιατί συνεχώς καίγεται στα έγκατα των αστεριών, μετατρέποντας σε αδρανές.
Το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο διάστημα. Αντιπροσωπεύει περίπου τη μισή μάζα του Ήλιου και των περισσότερων άλλων αστέρων. Βρίσκεται σε αέρια νεφελώματα, σε διαστρικό αέριο και είναι μέρος των άστρων. Στα βάθη των άστρων, συμβαίνει ο μετασχηματισμός των ατομικών πυρήνων υδρογόνοστους πυρήνες των ατόμων ηλίου. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει με την απελευθέρωση ενέργειας. Για πολλά αστέρια, συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου, χρησιμεύει ως η κύρια πηγή ενέργειας.
Κάθε δευτερόλεπτο, ο Ήλιος εκπέμπει ενέργεια ισοδύναμη με τέσσερα εκατομμύρια τόνους μάζας στο διάστημα. Αυτή η ενέργεια δημιουργείται κατά τη σύντηξη τεσσάρων πυρήνων υδρογόνο, πρωτόνια, στον πυρήνα. Η «καύση» ενός γραμμαρίου πρωτονίων απελευθερώνει είκοσι εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από την καύση ενός γραμμαρίου άνθρακα. Κανείς δεν έχει παρατηρήσει ποτέ μια τέτοια αντίδραση στη Γη: συμβαίνει σε μια θερμοκρασία και πίεση που υπάρχει μόνο στα βάθη των αστεριών και δεν έχει ακόμη κατακτηθεί από τους ανθρώπους.
Μια ισχύς ισοδύναμη με απώλεια μάζας τεσσάρων εκατομμυρίων τόνων κάθε δευτερόλεπτο είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς: ακόμη και με την πιο ισχυρή θερμοπυρηνική έκρηξη, μόνο περίπου ένα κιλό ύλης μετατρέπεται σε ενέργεια. Ωστόσο, η ταχύτητα της διαδικασίας, δηλ. Αριθμός Πυρήνων υδρογόνο, που μετατρέπεται σε πυρήνες ηλίου σε ένα κυβικό μέτρο σε ένα δευτερόλεπτο, είναι μικρό. Επομένως, η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται ανά μονάδα χρόνου ανά μονάδα όγκου είναι μικρή. Έτσι, αποδεικνύεται ότι η συγκεκριμένη ισχύς του Ήλιου είναι αμελητέα - πολύ μικρότερη από τη δύναμη μιας τέτοιας «συσκευής παραγωγής θερμότητας» όπως ο ίδιος ο άνθρωπος! Και οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ο Ήλιος θα συνεχίσει να λάμπει αμείωτος για τουλάχιστον άλλα τριάντα δισεκατομμύρια χρόνια. Αρκετά για τη ζωή μας.

Γεννώντας το νερό

Ανακαλύφθηκε το υδρογόνοστο πρώτο μισό του 16ου αιώνα από τον Γερμανό γιατρό και φυσιοδίφη Παράκελσο. Στα έργα των χημικών του 16ου–18ου αιώνα. Αναφέρθηκε «εύφλεκτο αέριο» ή «εύφλεκτος αέρας», που όταν συνδυαζόταν με συνηθισμένο αέριο παρήγαγαν εκρηκτικά μείγματα. Λήφθηκε με δράση σε ορισμένα μέταλλα (σίδηρος, ψευδάργυρος, κασσίτερος) με αραιά διαλύματα οξέων - θειικού και υδροχλωρικού.
Ο πρώτος επιστήμονας που περιέγραψε τις ιδιότητες αυτού του αερίου ήταν ο Άγγλος επιστήμονας Henry Cavendish. Προσδιόρισε την πυκνότητά του και μελέτησε την καύση στον αέρα, αλλά η τήρηση της θεωρίας του φλογιστονίου* εμπόδισε τον ερευνητή να κατανοήσει την ουσία των διεργασιών που συμβαίνουν.
Το 1779 ο Αντουάν Λαβουαζιέ έλαβε υδρογόνοκατά την αποσύνθεση του νερού, περνώντας τους ατμούς του μέσα από έναν καυτό σιδερένιο σωλήνα. Ο Λαβουαζιέ απέδειξε επίσης ότι όταν ο «καύσιμος αέρας» αλληλεπιδρά με το οξυγόνο, σχηματίζεται νερό και τα αέρια αντιδρούν σε ογκομετρική αναλογία 2:1. Αυτό επέτρεψε στον επιστήμονα να προσδιορίσει τη σύνθεση του νερού - H2O. Ο Λαβουαζιέ και οι συνάδελφοί του έλαβαν το όνομα του στοιχείου - Υδρογόνο - από τις ελληνικές λέξεις "gidor" - νερό και "gennao" - γεννώ. Ρωσικό όνομα "υδρογόνο"προτάθηκε από τον χημικό M.F Soloviev το 1824 - κατ' αναλογία με το "οξυγόνο" του Lomonosov.
Υδρογόνο- άχρωμο αέριο, άγευστο και άοσμο, ελαφρώς διαλυτό στο νερό. Είναι 14,5 φορές ελαφρύτερο από τον αέρα - το ελαφρύτερο αέριο. Να γιατί υδρογόνοΣυνήθιζαν να γεμίζουν μπαλόνια και αερόπλοια. Σε θερμοκρασία -253°C, το υδρογόνο υγροποιείται. Αυτό το άχρωμο υγρό είναι το ελαφρύτερο από όλα τα γνωστά: 1 ml ζυγίζει λιγότερο από το ένα δέκατο του γραμμαρίου. Στους -259°C, το υγρό υδρογόνο παγώνει και μετατρέπεται σε άχρωμους κρυστάλλους.
Μόρια Η2τόσο μικρά που μπορούν εύκολα να περάσουν όχι μόνο από μικρούς πόρους, αλλά και από μέταλλα. Μερικά από αυτά, όπως το νικέλιο, μπορούν να απορροφήσουν μεγάλες ποσότητες υδρογόνοκαι κρατήστε το σε ατομική μορφή στα κενά του κρυσταλλικού πλέγματος. Το φύλλο παλλαδίου που θερμαίνεται στους 250°C περνάει ελεύθερα υδρογόνο; Χρησιμοποιείται για τον σχολαστικό καθαρισμό του από άλλα αέρια.
Με διαλυτότητα υδρογόνοστα μέταλλα σχετίζεται με την ικανότητά του να διαχέεται μέσω των μετάλλων. Επιπλέον, όντας το ελαφρύτερο αέριο, υδρογόνοέχει τον υψηλότερο ρυθμό διάχυσης: τα μόριά του εξαπλώνονται ταχύτερα από τα μόρια όλων των άλλων αερίων στο περιβάλλον μιας άλλης ουσίας και διέρχονται από διάφορα είδη χωρισμάτων.
Υδρογόνο- μια δραστική ουσία που εισέρχεται εύκολα σε χημικές αντιδράσεις. Όταν καίγεται, απελευθερώνεται πολλή θερμότητα και το μόνο προϊόν της αντίδρασης είναι το νερό: 2H2 + O2 = 2H2O. Κάποιος μπορεί μόνο να ονειρευτεί ένα τέτοιο φιλικό προς το περιβάλλον καύσιμο!
Σήμερα (αν και σε περιορισμένες ποσότητες προς το παρόν) αυτοκίνητα με υδρογόνοκινητήρες. Αυτή είναι η BMW Hydrogen 7, η οποία χρησιμοποιεί υγρό καύσιμο ως καύσιμο. υδρογόνο; ένα λεωφορείο Mercedes Citaro και ένα επιβατικό Mazda RX-8 Hydrogen, που κινούνται ταυτόχρονα με βενζίνη και υδρογόνο. Και η εταιρεία Boeing αναπτύσσει ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος μεγάλου υψομέτρου και διάρκειας πτήσης (High Altitude Long Endurance (HALE). Το αεροσκάφος είναι εξοπλισμένο με υδρογόνοκινητήρας που κατασκευάζεται από την Ford Motor Company. Ωστόσο, ανάπτυξη υδρογόνοΟ ενεργειακός τομέας παρεμποδίζεται από τον υψηλό βαθμό κινδύνου κατά την εργασία με αυτό το αέριο, καθώς και από τις δυσκολίες αποθήκευσής του.

Μια εμπειρία που κόντεψε να σου στοιχίσει τη ζωή

Με οξυγόνο αέρα υδρογόνοσχηματίζει ένα εκρηκτικό μείγμα - εκρηκτικό αέριο. Επομένως, όταν εργάζεστε με υδρογόνοπρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή. ΚΑΘΑΡΗ υδρογόνοΚαίγεται σχεδόν αθόρυβα και όταν αναμειγνύεται με αέρα παράγει ένα χαρακτηριστικό δυνατό κρότο. Μια έκρηξη εκρηκτικού αερίου σε δοκιμαστικό σωλήνα δεν αποτελεί κίνδυνο για τον πειραματιστή, αλλά μπορεί να προκληθεί σοβαρός τραυματισμός όταν χρησιμοποιείται φιάλη με επίπεδο πυθμένα ή χοντρό γυάλινο δοχείο.
Υδρογόνοέχει διπλή χημική φύση, εμφανίζοντας τόσο οξειδωτικές όσο και αναγωγικές ιδιότητες. Στις περισσότερες αντιδράσεις δρα ως αναγωγικός παράγοντας, σχηματίζοντας ενώσεις στις οποίες η οξειδωτική του κατάσταση είναι +1. Αλλά σε αντιδράσεις με ενεργά μέταλλα δρα ως οξειδωτικός παράγοντας: η κατάσταση οξείδωσής του σε ενώσεις με μέταλλα είναι -1.
Έτσι, παραχωρώντας ένα ηλεκτρόνιο, υδρογόνοδείχνει ομοιότητα με τα μέταλλα της πρώτης ομάδας του περιοδικού πίνακα, και προσθέτοντας ένα ηλεκτρόνιο, με τα αμέταλλα της έβδομης ομάδας. Να γιατί υδρογόνοστον περιοδικό πίνακα τοποθετούνται συνήθως είτε στην πρώτη ομάδα και ταυτόχρονα σε αγκύλες στην έβδομη, είτε στην έβδομη ομάδα και σε αγκύλες στην πρώτη.

Χρήση και παραγωγή υδρογόνου

Μεταχειρισμένος υδρογόνοστην παραγωγή μεθανόλης, υδροχλωρίου, για την υδρογόνωση φυτικών λιπών (στην παραγωγή μαργαρίνης), επίσης για την ανάκτηση μετάλλων (μολυβδαίνιο, βολφράμιο, ίνδιο) από οξείδια. Τα πυρίμαχα μέταλλα και τα κράματα συγκολλούνται και κόβονται χρησιμοποιώντας φλόγα υδρογόνου-οξυγόνου (3000°C). Υγρό υδρογόνοχρησιμεύει ως καύσιμο πυραύλων.
Κατά την υδρογόνωση άνθρακα και πετρελαίου, κακή υδρογόνοτα χαμηλής ποιότητας καύσιμα μετατρέπονται σε υψηλής ποιότητας.
Υδρογόνοχρησιμοποιείται για την ψύξη ισχυρών γεννητριών ηλεκτρικού ρεύματος και τα ισότοπά του χρησιμοποιούνται στην πυρηνική ενέργεια.
Στη βιομηχανία, το υδρογόνο παράγεται με ηλεκτρόλυση υδατικών διαλυμάτων αλάτων (για παράδειγμα, NaCl, Na2CO4), καθώς και κατά τη μετατροπή στερεών και αέριων καυσίμων - άνθρακα και φυσικού αερίου. Οι διεργασίες μετατροπής λαμβάνουν χώρα σε θερμοκρασία περίπου 1000°C παρουσία καταλυτών. Το μείγμα αερίων που προκύπτει ονομάζεται αέριο σύνθεσης.

Σχεδόν κάθε ντουλάπι οικιακών φαρμάκων περιέχει ένα μπουκάλι με διάλυμα υπεροξειδίου 3%. υδρογόνο H2O2. Χρησιμοποιείται για την απολύμανση των πληγών και τη διακοπή της αιμορραγίας.

Ανάλογα με τον σκοπό, τεχνικό υδρογόνοΔιατίθεται σε συμπιεσμένη και μη συμπιεσμένη μορφή σε δύο μάρκες:

Αέριο υδρογόνου βαθμού "A"- χρησιμοποιείται στην ηλεκτρονική, φαρμακευτική, χημική βιομηχανία, στη μεταλλουργία σκόνης: για εναπόθεση πυρίμαχων ενώσεων από οξείδια μετάλλων. κατά τη σύντηξη προϊόντων που κατασκευάζονται από υλικά σε σκόνη που περιέχουν χρώμιο και ανοξείδωτο χάλυβα.
- χρησιμοποιείται στην ενέργεια, την ηλεκτρονική, τη χημική, τη μη σιδηρούχα μεταλλουργία, τη φαρμακευτική βιομηχανία.

Οι αστροφυσικοί γνωρίζουν ότι ο σχηματισμός άστρων απαιτεί καύσιμα. Η τρέχουσα θεωρία είναι ότι τα ποτάμια υδρογόνου - γνωστά ως «ψυχρά ρεύματα» - θα μπορούσαν να είναι ένα είδος πορθμείου υδρογόνου μέσω του διαγαλαξιακού χώρου και ως εκ τούτου να τροφοδοτούν τη διαδικασία σχηματισμού άστρων.

Οι σπειροειδείς γαλαξίες, όπως ο Γαλαξίας μας, τείνουν να έχουν έναν αρκετά ήσυχο αλλά σταθερό ρυθμό σχηματισμού άστρων. Άλλοι γαλαξίες, όπως ο NGC 6946, ο οποίος βρίσκεται περίπου 22 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη στα σύνορα των αστερισμών Κηφέας και Κύκνος, είναι πολύ πιο ενεργοί από αυτή την άποψη. Αυτό εγείρει το ερώτημα του τι παρέχει το έδαφος αναπαραγωγής για παρατεταμένο σχηματισμό άστρων σε αυτόν και σε παρόμοιους σπειροειδείς γαλαξίες.

Προηγούμενες μελέτες του κοντινού γαλαξιακού χώρου γύρω από το NGC 6946 από το τηλεσκόπιο WSRT στην Ολλανδία αποκάλυψαν ένα εκτεταμένο φωτοστέφανο υδρογόνου. Ωστόσο, το ψυχρό ρεύμα θα μπορούσε να έχει σχηματιστεί από υδρογόνο από μια εντελώς διαφορετική πηγή - αέριο από το διαγαλαξιακό διάστημα που δεν θερμάνθηκε ποτέ σε υψηλές θερμοκρασίες από τη διαδικασία γέννησης των αστεριών.

Χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Green Bank (GBT), ο Pisano κατάφερε να ανιχνεύσει τη λάμψη που εκπέμπεται από το ουδέτερο υδρογόνο που συνδέει το NGC 6946 με τους κοσμικούς γείτονές του. Αυτό το σήμα ήταν απλώς κάτω από το κατώφλι ανίχνευσης άλλων τηλεσκοπίων, αλλά οι μοναδικές δυνατότητες του GBT επέτρεψαν στον επιστήμονα να ανιχνεύσει αυτήν την αμυδρή ακτινοβολία.

Οι αστρονόμοι έχουν υποθέσει εδώ και πολύ καιρό ότι οι μεγάλοι γαλαξίες θα μπορούσαν να αποκτήσουν μια σταθερή παροχή ψυχρού υδρογόνου αντλώντας το από άλλους λιγότερο μαζικούς συντρόφους.

Περαιτέρω έρευνα θα βοηθήσει στην επιβεβαίωση της φύσης αυτής της παρατήρησης και θα βοηθήσει να ρίξει φως στον πιθανό ρόλο που παίζουν τα ψυχρά ρεύματα στην εξέλιξη των γαλαξιών.

Το υδρογόνο (Η) είναι ένα πολύ ελαφρύ χημικό στοιχείο, με περιεκτικότητα 0,9% κατά βάρος στον φλοιό της Γης και 11,19% στο νερό.

Χαρακτηριστικά του υδρογόνου

Είναι το πρώτο μεταξύ των αερίων σε ελαφρότητα. Υπό κανονικές συνθήκες, είναι άγευστο, άχρωμο και απολύτως άοσμο. Όταν εισέρχεται στη θερμόσφαιρα, πετάει στο διάστημα λόγω του μικρού βάρους του.

Σε ολόκληρο το σύμπαν, είναι το πολυπληθέστερο χημικό στοιχείο (75% της συνολικής μάζας των ουσιών). Τόσο πολύ που πολλά αστέρια στο διάστημα είναι φτιαγμένα εξ ολοκλήρου από αυτό. Για παράδειγμα, ο Ήλιος. Το κύριο συστατικό του είναι το υδρογόνο. Και η θερμότητα και το φως είναι το αποτέλεσμα της απελευθέρωσης ενέργειας όταν οι πυρήνες ενός υλικού συγχωνεύονται. Επίσης στο διάστημα υπάρχουν ολόκληρα σύννεφα των μορίων του διαφόρων μεγεθών, πυκνοτήτων και θερμοκρασιών.

Φυσικές ιδιότητες

Η υψηλή θερμοκρασία και πίεση αλλάζουν σημαντικά τις ιδιότητές του, αλλά υπό κανονικές συνθήκες:

Έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα σε σύγκριση με άλλα αέρια,

Μη τοξικό και ελάχιστα διαλυτό στο νερό,

Με πυκνότητα 0,0899 g/l στους 0°C και 1 atm.,

Μετατρέπεται σε υγρό σε θερμοκρασία -252,8°C

Γίνεται σκληρό στους -259,1°C.,

Ειδική θερμότητα καύσης 120.9.106 J/kg.

Απαιτεί υψηλή πίεση και πολύ χαμηλές θερμοκρασίες για να μετατραπεί σε υγρό ή στερεό. Σε υγροποιημένη κατάσταση, είναι ρευστό και ελαφρύ.

Χημικές ιδιότητες

Υπό πίεση και κατά την ψύξη (-252,87 βαθμοί C), το υδρογόνο αποκτά υγρή κατάσταση, η οποία είναι ελαφρύτερη σε βάρος από οποιοδήποτε ανάλογο. Καταλαμβάνει λιγότερο χώρο σε αυτό από ό, τι σε αέρια μορφή.

Είναι ένα τυπικό αμέταλλο. Στα εργαστήρια παράγεται με την αντίδραση μετάλλων (όπως ο ψευδάργυρος ή ο σίδηρος) με αραιά οξέα. Υπό κανονικές συνθήκες είναι ανενεργό και αντιδρά μόνο με ενεργά αμέταλλα. Το υδρογόνο μπορεί να διαχωρίσει το οξυγόνο από τα οξείδια και να μειώσει τα μέταλλα από τις ενώσεις. Αυτό και τα μείγματά του σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με ορισμένα στοιχεία.

Το αέριο είναι πολύ διαλυτό στην αιθανόλη και σε πολλά μέταλλα, ιδιαίτερα το παλλάδιο. Το ασήμι δεν το διαλύει. Το υδρογόνο μπορεί να οξειδωθεί κατά την καύση σε οξυγόνο ή αέρα και όταν αλληλεπιδρά με αλογόνα.

Όταν ενώνεται με το οξυγόνο, σχηματίζεται νερό. Εάν η θερμοκρασία είναι κανονική, τότε η αντίδραση προχωρά αργά, εάν είναι πάνω από 550°C, εκρήγνυται (μετατρέπεται σε εκρηκτικό αέριο).

Εύρεση υδρογόνου στη φύση

Αν και υπάρχει πολύ υδρογόνο στον πλανήτη μας, δεν είναι εύκολο να βρεθεί στην καθαρή του μορφή. Λίγο μπορεί να βρεθεί κατά τη διάρκεια ηφαιστειακών εκρήξεων, κατά την παραγωγή πετρελαίου και όπου η οργανική ύλη αποσυντίθεται.

Περισσότερο από το ήμισυ της συνολικής ποσότητας βρίσκεται στη σύνθεση με νερό. Περιλαμβάνεται επίσης στη δομή του πετρελαίου, των διαφόρων αργίλων, των εύφλεκτων αερίων, των ζώων και των φυτών (η παρουσία σε κάθε ζωντανό κύτταρο είναι 50% από τον αριθμό των ατόμων).

Ο κύκλος του υδρογόνου στη φύση

Κάθε χρόνο, μια κολοσσιαία ποσότητα (δισεκατομμύρια τόνοι) φυτικών υπολειμμάτων αποσυντίθεται στα υδάτινα σώματα και το έδαφος, και αυτή η αποσύνθεση απελευθερώνει μια τεράστια μάζα υδρογόνου στην ατμόσφαιρα. Απελευθερώνεται επίσης κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε ζύμωσης που προκαλείται από βακτήρια, καύσης και, μαζί με το οξυγόνο, συμμετέχει στον κύκλο του νερού.

Εφαρμογές Υδρογόνου

Το στοιχείο χρησιμοποιείται ενεργά από την ανθρωπότητα στις δραστηριότητές της, επομένως μάθαμε να το αποκτούμε σε βιομηχανική κλίμακα για:

Μετεωρολογία, χημική παραγωγή;

Παραγωγή μαργαρίνης;

Ως καύσιμο πυραύλων (υγρό υδρογόνο).

Βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας για ψύξη ηλεκτρικών γεννητριών.

Συγκόλληση και κοπή μετάλλων.

Χρησιμοποιείται πολύ υδρογόνο για την παραγωγή συνθετικής βενζίνης (για τη βελτίωση της ποιότητας καυσίμου χαμηλής ποιότητας), αμμωνίας, υδροχλώριο, αλκοόλες και άλλα υλικά. Η πυρηνική ενέργεια χρησιμοποιεί ενεργά τα ισότοπά της.

Το φάρμακο «υπεροξείδιο του υδρογόνου» χρησιμοποιείται ευρέως στη μεταλλουργία, τη βιομηχανία ηλεκτρονικών, την παραγωγή χαρτοπολτού και χαρτιού, για τη λεύκανση λινά και βαμβακερά υφάσματα, για την παραγωγή βαφών μαλλιών και καλλυντικών, πολυμερών και στην ιατρική για τη θεραπεία τραυμάτων.

Η «εκρηκτική» φύση αυτού του αερίου μπορεί να γίνει ένα θανατηφόρο όπλο - μια βόμβα υδρογόνου. Η έκρηξή του συνοδεύεται από απελευθέρωση τεράστιας ποσότητας ραδιενεργών ουσιών και είναι καταστροφική για όλα τα έμβια όντα.

Η επαφή υγρού υδρογόνου και δέρματος μπορεί να προκαλέσει σοβαρά και επώδυνα κρυοπαγήματα.

Οι διαστημικές υπηρεσίες και οι ιδιωτικές εταιρείες αναπτύσσουν ήδη σχέδια για να στείλουν ανθρώπους στον Άρη τα επόμενα χρόνια, οδηγώντας τελικά στον αποικισμό του. Και με τον αυξανόμενο αριθμό πλανητών που έχουν ανακαλυφθεί σαν τη Γη γύρω από κοντινά αστέρια, τα διαστημικά ταξίδια μεγάλων αποστάσεων γίνονται ολοένα και πιο σημαντικά.

Ωστόσο, δεν είναι εύκολο για τους ανθρώπους να επιβιώσουν στο διάστημα για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις των διαστημικών πτήσεων μεγάλων αποστάσεων είναι η μεταφορά επαρκούς ποσότητας οξυγόνου για να αναπνεύσουν οι αστροναύτες και αρκετό καύσιμο για τη λειτουργία πολύπλοκων ηλεκτρονικών συσκευών. Δυστυχώς, πρακτικά δεν υπάρχει οξυγόνο στο διάστημα, επομένως πρέπει να αποθηκευτεί στη Γη.

Αλλά νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications δείχνει ότι είναι δυνατή η παραγωγή υδρογόνου (για καύσιμο) και οξυγόνου (για αναπνοή) από το νερό χρησιμοποιώντας μόνο υλικό ημιαγωγών, ηλιακό φως (ή αστρικό φως) και έλλειψη βαρύτητας, καθιστώντας τα ταξίδια μεγάλων αποστάσεων πιο εφικτά.

Η χρήση του απεριόριστου πόρου του Ήλιου για την τροφοδοσία της καθημερινής μας ζωής είναι μια από τις πιο παγκόσμιες προκλήσεις στη Γη. Καθώς απομακρυνόμαστε σιγά σιγά από το πετρέλαιο και προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, οι ερευνητές ενδιαφέρονται για τη δυνατότητα χρήσης του υδρογόνου ως καυσίμου. Ο καλύτερος τρόπος για να γίνει αυτό θα ήταν ο διαχωρισμός του νερού (H2O) στα συστατικά του: υδρογόνο και οξυγόνο. Αυτό είναι δυνατό χρησιμοποιώντας μια διαδικασία γνωστή ως ηλεκτρόλυση, η οποία περιλαμβάνει τη διέλευση ενός ρεύματος μέσω του νερού που περιέχει κάποιο διαλυτό ηλεκτρολύτη (όπως αλάτι - περίπου. μετάφραση). Ως αποτέλεσμα, το νερό διασπάται σε άτομα οξυγόνου και υδρογόνου, τα οποία απελευθερώνονται το καθένα στο δικό του ηλεκτρόδιο.

Ηλεκτρόλυση νερού.

Αν και αυτή η μέθοδος είναι τεχνικά δυνατή και είναι γνωστή εδώ και αιώνες, εξακολουθεί να μην είναι άμεσα διαθέσιμη στη Γη, επειδή χρειαζόμαστε περισσότερη υποδομή που σχετίζεται με το υδρογόνο - όπως σταθμούς ανεφοδιασμού με υδρογόνο.

Το υδρογόνο και το οξυγόνο που λαμβάνονται από το νερό με αυτόν τον τρόπο μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο σε διαστημόπλοια. Η εκτόξευση ενός πυραύλου με νερό θα ήταν στην πραγματικότητα πολύ πιο ασφαλής από την εκτόξευση με επιπλέον προωθητικό και οξυγόνο επί του σκάφους, καθώς το μείγμα θα μπορούσε να είναι εκρηκτικό σε ένα ατύχημα. Τώρα στο διάστημα, ειδική τεχνολογία θα μπορεί να διαχωρίζει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο, τα οποία, με τη σειρά τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διατήρηση της αναπνοής και της λειτουργικότητας των ηλεκτρονικών συσκευών (για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας κυψέλες καυσίμου).

Υπάρχουν δύο επιλογές για αυτό. Το ένα είναι η ηλεκτρόλυση, όπως στη Γη, χρησιμοποιώντας ηλεκτρολύτες και ηλιακές κυψέλες για την παραγωγή ρεύματος. Αλλά, δυστυχώς, η ηλεκτρόλυση είναι μια πολύ ενεργοβόρα διαδικασία και η ενέργεια στο διάστημα αξίζει ήδη το βάρος της σε χρυσό.

Μια εναλλακτική λύση είναι η χρήση φωτοκαταλυτών, οι οποίοι λειτουργούν απορροφώντας φωτόνια από ένα υλικό ημιαγωγών που τοποθετείται στο νερό. Η ενέργεια των φωτονίων «χτυπά» ένα ηλεκτρόνιο έξω από το υλικό, αφήνοντας μια «τρύπα» σε αυτό. Ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο μπορεί να αλληλεπιδράσει με πρωτόνια στο νερό για να σχηματίσει άτομα υδρογόνου. Εν τω μεταξύ, η «τρύπα» μπορεί να απορροφήσει ηλεκτρόνια από το νερό για να σχηματίσει πρωτόνια και άτομα οξυγόνου.



Η διαδικασία της φωτοκατάλυσης σε επίγειες συνθήκες και σε μικροβαρύτητα (ένα εκατομμύριο φορές λιγότερο από ό,τι στη Γη). Όπως φαίνεται, στη δεύτερη περίπτωση ο αριθμός των φυσαλίδων αερίου που εμφανίζονται είναι μεγαλύτερος.

Αυτή η διαδικασία μπορεί να αντιστραφεί. Το υδρογόνο και το οξυγόνο μπορούν να ανασυνδυαστούν (συνδυαστούν) χρησιμοποιώντας κυψέλη καυσίμου, με αποτέλεσμα την επιστροφή της ηλιακής ενέργειας που δαπανάται για τη φωτοκατάλυση και το σχηματισμό νερού. Έτσι, αυτή η τεχνολογία είναι το πραγματικό κλειδί για τα ταξίδια στο διάστημα στο βάθος.

Η διαδικασία που χρησιμοποιεί φωτοκαταλύτες είναι η καλύτερη επιλογή για ταξίδια στο διάστημα, επειδή ο εξοπλισμός ζυγίζει πολύ λιγότερο από αυτό που χρειάζεται για την ηλεκτρόλυση. Θεωρητικά, η εργασία με αυτό στο διάστημα είναι επίσης ευκολότερη. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι η ένταση του ηλιακού φωτός έξω από την ατμόσφαιρα της Γης είναι πολύ μεγαλύτερη, αφού στην τελευταία ένα αρκετά μεγάλο μέρος του φωτός απορροφάται ή αντανακλάται στο δρόμο προς την επιφάνεια.

Σε μια νέα μελέτη, οι επιστήμονες έριξαν μια πλήρως λειτουργική πειραματική εγκατάσταση φωτοκατάλυσης από έναν πύργο ύψους 120 μέτρων, δημιουργώντας συνθήκες που ονομάζονται μικροβαρύτητα. Καθώς τα αντικείμενα πέφτουν στη Γη με ελεύθερη πτώση, η επίδραση της βαρύτητας μειώνεται (αλλά η ίδια η βαρύτητα δεν εξαφανίζεται, γι' αυτό ονομάζεται μικροβαρύτητα, όχι χωρίς βαρύτητα - περίπου. μετάφραση), δεδομένου ότι δεν υπάρχουν δυνάμεις που αντισταθμίζουν τη βαρύτητα της Γης - έτσι, κατά την πτώση, δημιουργούνται συνθήκες στην εγκατάσταση όπως στο ISS.

Πειραματική εγκατάσταση και πειραματική διαδικασία.

Οι ερευνητές μπόρεσαν να δείξουν ότι κάτω από τέτοιες συνθήκες είναι πράγματι δυνατό να διασπαστεί το νερό. Ωστόσο, δεδομένου ότι αυτή η διαδικασία παράγει αέριο, σχηματίζονται φυσαλίδες στο νερό. Ένα σημαντικό καθήκον είναι να απαλλαγούμε από τις φυσαλίδες του καταλυτικού υλικού καθώς παρεμβαίνουν στη διαδικασία δημιουργίας αερίου. Στη Γη, η βαρύτητα κάνει τις φυσαλίδες να επιπλέουν στην επιφάνεια (το νερό κοντά στην επιφάνεια είναι πιο πυκνό από τις φυσαλίδες, επιτρέποντάς τους να επιπλέουν στην επιφάνεια), ελευθερώνοντας χώρο στον καταλύτη για να σχηματιστούν περαιτέρω φυσαλίδες.

Σε μηδενική βαρύτητα αυτό είναι αδύνατο και οι φυσαλίδες αερίου παραμένουν πάνω ή κοντά στον καταλύτη. Ωστόσο, οι επιστήμονες προσάρμοσαν το σχήμα του καταλύτη σε νανοκλίμακα, δημιουργώντας πυραμιδικές ζώνες όπου η φυσαλίδα θα μπορούσε εύκολα να σπάσει από την κορυφή της πυραμίδας και να εισέλθει στο νερό χωρίς να παρεμβαίνει στη διαδικασία σχηματισμού νέων φυσαλίδων.

Όμως ένα πρόβλημα παραμένει. Ελλείψει βαρύτητας, οι φυσαλίδες θα παραμείνουν στο υγρό παρόλο που έχουν αναγκαστεί να εγκαταλείψουν τον καταλύτη. Η βαρύτητα επιτρέπει στο αέριο να διαφεύγει εύκολα από το υγρό, το οποίο είναι κρίσιμο για τη χρήση καθαρού υδρογόνου και οξυγόνου. Χωρίς βαρύτητα, καμία φυσαλίδα αερίου δεν επιπλέει στην επιφάνεια και διαχωρίζεται από το υγρό - αντίθετα, σχηματίζεται το ισοδύναμο του αφρού.

Αυτό μειώνει δραματικά την απόδοση της διαδικασίας μπλοκάροντας τους καταλύτες ή τα ηλεκτρόδια. Οι μηχανικές λύσεις γύρω από αυτό το πρόβλημα θα είναι το κλειδί για την επιτυχή εφαρμογή της τεχνολογίας στο διάστημα - μια πιθανή λύση είναι η περιστροφή της εγκατάστασης: με αυτόν τον τρόπο, οι φυγόκεντρες δυνάμεις θα δημιουργήσουν τεχνητή βαρύτητα. Ωστόσο, χάρη σε αυτή τη νέα έρευνα, βρισκόμαστε ένα βήμα πιο κοντά στην ανθρώπινη διαστημική πτήση μεγάλης διάρκειας.