Väte är framtidens supermetall

Under högt tryck förvandlas väte till en fast metall med enastående egenskaper. Detta har varit forskarnas teori i årtionden. Nu kan de snart framställa denna fantastiska metall som kan ge världen klimatvänlig el och mer kraftfulla rymdraketer.

Claus Lunau

I laboratoriet på National Ignition Facility (NIF) i USA utsätts ett litet väteprov för stora påfrestningar. Trycket i provkammaren är så högt att gasen har bytt aggregationstillstånd till flytande form. Den lilla vätedroppens prövningar har dock bara börjat.

Nu startar forskarna världens största laser, vars starka ljus utsätter provkammaren för enorma krafter. Trycket i kärlet ökas gradvis till svindlande två miljoner atmosfärer, vilket är nästan lika högt som i jordens kärna. Plötsligt inträffar förvandlingen. På mätinstrumenten ser forskarna först den glasklara vätedroppen i kammaren bli mörk och ogenomskinlig för att sedan övergå till en glänsande flytande metall.

Forskarna är entusiastiska. Flytande metalliskt väte utgör merparten av stora gasplaneters inre, så den lilla silverfärgade droppen kan lära dem mycket om planeter som Jupiter och Saturnus. Ännu viktigare är det faktum att det är ett stort steg på vägen mot att skapa fast metalliskt väte, som enligt fysikernas teori är ett enastående material.

Med metalliskt väte i fast form som bränsle kommer rymdfarkoster att kunna nå längre ut i rymden än någonsin tidigare, och i högspänningsledningar och elektriska kretsar kan undermetallen leda ström helt utan motstånd.

Enkelt ämne har många former

Väte är universums vanligaste och enklaste grundämne. Atomen består av en enda proton omgiven av en elektron. I naturen finns det huvudsakligen i så kallad molekylär form, där två väteatomer har förenats. Trots sin enkla struktur kan väte förekomma i ett förvånansvärt stort antal tillstånd.

Vid vanligt atmosfäriskt tryck förekommer väte liksom alla andra grundämnen i tre så kallade aggregationstillstånd: Gasform, flytande form och fast form. Väte är gasformigt ner till minus 240 grader, då det kondenseras till en vätska. Vid temperaturer under minus 259 grader fryser vätskan och övergår till väteis.

På National Ignition Facility i Kalifornien i USA finns världens största laser.

© Jason Laurea/LLNL

När både trycket och temperaturen ökar kan väte anta ytterligare åtta olika former. Under sådana extrema förhållanden är vätet antingen flytande eller fast, men atomernas täthet varierar, vilket ger ämnet olika egenskaper. I flytande form kan ämnet förekomma i tre olika tillstånd, av vilka flytande metalliskt väte är den mest kompakta.

Flytande metalliskt väte bildas vid en temperatur av minst tusen grader och två miljoner atmosfärers tryck. Tillståndet är dock instabilt. Vätskan förångas blixtsnabbt till en gas när trycket sjunker, så forskarna kan bara studera ämnets egenskaper under korta perioder i stora tryckkammarlaboratorier som NIF i Kalifornien i USA. Det nya resultatet från laboratoriet, som publicerades i den vetenskapliga tidskriften Science år 2018, har varit efterlängtat.

Enligt astronomernas teorier finns det inre oceaner av flytande metalliskt väte i gasjättarna Jupiter och Saturnus. Man tror att närmare 80 procent av jätteplaneternas massa utgörs av den flytande metallen. Dessa hav antas vara förklaringen till gasjättarnas mycket starka magnetfält.

-259 grader Celcius är den temperatur då väte under normalt tryck antar fast form.

Därför innebär det goda nyheter för astronomerna att fysikerna efter flera år-tiondens försök nu äntligen har bevisat att metalliskt väte faktiskt existerar. Nu kan man börja studera metallens egenskaper experimentellt.

Genombrottet gör det enklare att tolka observationerna från rymdsonden Juno, som kretsar kring Jupiter och som gör det möjligt för oss att lära oss mer om hur planetens kaotiska magnetfält bildas nära ytan.

Forskarna använder så kallade diamanttryckceller för att utsätta små väteprover för högt tryck.

© Argonne National Laboratory_ANL ? Steve Jacobsen/Pamela C. Burnley, University of Nevada, Las Vegas

Specifikt vill forskarna ta reda på om flytande metalliskt väte har vanliga vätskeegenskaper som vatten eller om det är en så kallad superflytande vätska, som det rent teoretiskt kan vara. I en superflytande vätska rör sig atomerna utan att möta något motstånd, så när vätskan väl har satts i rörelse fortsätter den i princip i all evighet. Om metalliskt väte visar sig vara superflytande har det en avgörande betydelse för rörelsemönstren i gasjättarnas inre hav av metalliskt väte och därmed även för dess magnetiska egenskaper.

Jakten på fast metalliskt väte

Nästa stora steg blir att framställa metalliskt väte i fast form. Jakten på metalliskt väte började redan år 1935, då de amerikanska fysikerna Eugene Wigner och Hillard Huntington förutsade att väte kunde komprimeras så hårt att gasen skulle omvandlas till ett fast ämne med metalliska egenskaper och en tio gånger kompaktare atomstruktur.

80% av Jupiter och Saturnus antas bestå av flytande ­metalliskt väte.

Enligt deras beräkningar skulle omvandlingen ske vid 250 000 atmosfärers tryck, men årtionden av försök har visat att det krävs ett mycket högre tryck för att skapa fast metalliskt väte.

Däremot har fast metalliskt väte en klar fördel: Enligt teorin är det nämligen så att när den fasta formen väl har åstadkommits bevaras aggregationstillståndet vid normalt atmosfäriskt tryck, till skillnad från flytande metalliskt väte.

Det kan jämföras med diamanter, som bildas av kol under högt tryck och höga temperaturer i jordens inre och som bevarar sin kompakta atomstruktur när de tas upp ur djupet. De sväller inte upp till grafit.

168 lasrar skapar ­flytande metalliskt väte

Normalt märker vi inte av något tryck från ljuset, men när ljuspartiklar blir tillräckligt starka kan de skapa ett högt tryck.
På National Ignition Facility i USA samlade forskare ljus från 168 lasrar och riktade det mot ett prov av flytande väte. Det höga trycket omvandlade vätet till en glänsande flytande metall.

NIF& Claus Lunau

1.

Ljus från 168 lasrar sänds in i laserförstärkaren, en lång kanal i vilken laserljuset far fram och tillbaka medan det förstärks.

NIF& Claus Lunau

2.

Starka signallampor belyser atomer i gasfyllda glasrör. Det får atomerna att avge extra mycket ljus, vilket förstärker laserljuset i kanalen.

NIF& Claus Lunau

3.

Laserljuset når fram till försökskammaren, där de 168 laserstrålarna samlas, och leds in i en metallcylinder med provkärlet.

NIF& Claus Lunau

4 I cylindern kastas laserstrålarna fram och tillbaka och utsätter provbehållaren för ett extremt högt ljustryck. Väteprovet placeras mellan en kopparkolv och ett genomskinligt fönster.
5 För varje laserpuls pressas kolven hårt mot fönstret, vilket höjer både temperaturen och trycket i provet. Vid två ­miljoner atmosfärer och 2 000 grader omvandlades provet till flytande ­metalliskt väte.

© Oliver Larsen

Det närmaste forskarna har kommit den eftertraktade metallen var i ett försök som gjordes år 2017. En forskargrupp ledd av Isaac Silvera vid Harvard University i USA utsatte fast väte för 4,95 miljoner atmosfärers tryck i en så kallad diamanttryckcell, där fast väte placeras mellan spetsarna på två diamanter och trycks ihop.

Forskarna observerade hur ämnet ändrade tillstånd från att vara en genomskinlig isolator, det vill säga ett ämne som inte leder el, till en mörk halvledare och vidare till en glänsande fast metall – den första i sitt slag på jorden.

Forskarna lät provet ligga kvar i tryckcellen medan resultaten snabbt publicerades i tidskriften Science. Deras upptäckt möttes med både entusiasm och skepsis. Vissa fysiker betvivlade att provet faktiskt var metalliskt väte. För att hindra väteatomerna från att pressas in i tryckcellens två diamantstäd hade diamanterna belagts med det supertäta ämnet aluminiumoxid. Vissa forskare trodde emellertid att provet förorenade beläggningen.

Superleder afstøder magnet

En supraledare stöter bort magnetfält. Här syns en iten magnet som svävar över en supraledare som är nerkyld till -200 gradet. Principen används i stor skala i snabba magnettåg som svävar friktionslöst över de supraledande och nedkylda skenorna. Forskarna anser att fast vätemetall är en supraledare vid rumstemperatur och därmed kan lösa samma uppgift utan att nedkylning behövs.

© Peter Nussbaumer //WikiMedia

Därför planerade Isaac Silvera ett antal försök som definitivt skulle visa om vätet hade övergått till en fast metall eller inte. Först skulle röntgenstrålning från en accelerator sändas genom provet medan det fortfarande låg i tryckcellen för att ta reda på om vätet hade den tätt packade atomstruktur som man förutsagt.

Sedan skulle cellen öppnas för att avslöja om metalliskt väte är stabilt även vid atmosfäriskt tryck.

Då skulle elektriska mätningar visa om metallen var en vanlig elektrisk ledare eller en supraledare, som teorin förutsäger. Men innan forskarna påbörjade testet skulle de göra en lasermätning för att mäta det exakta trycket i provet. Det var då det gick snett.

RAKETER FLYGER LÄNGRE PER LITER
I dag drivs många raketer av flytande väte, där ett kilo bränsle ger en uppåtriktad tryckkraft ­motsvarande ett kilo under 460 sekunder när det förbränns i raketmotorn. Ett kilo fast metalliskt väte kan ge samma tryckkraft i 1 700 sekunder, nästan fyra gånger så länge.

© Oliver Larsen

När lasern startades krossades en av diamanterna av strålen i städet, varefter provet försvann. Enligt Silvera finns det två möjliga förklaringar till det: Provet, som bara var 1,5 mikrometer tjockt och tio mikrometer brett – cirka en femtedel av diametern på en människas hårstrå – kan ligga dolt i den pulvriserade diamanten alternativt tryckcellens förstörda packningar. I annat fall är fast metalliskt väte helt enkelt inte stabilt vid atmosfäriskt tryck, vilket innebär att provet förångades.

Det sistnämnda skulle vara en stor besvikelse för forskarna, för då är de praktiska användningsområdena för fast metalliskt väte betydligt färre.

En teknisk revolution är nära

Allt sedan dess har forskarna arbetat med att förbättra diamanttryckcellerna för att kunna upprepa försöket, och resultaten kommer enligt Silvera inte att låta vänta på sig.

De tekniska perspektiven är svindlande om Silvera och hans grupp kan konstatera att fast metalliskt väte är stabilt på samma sätt som diamanter när trycket sjunker. Det skulle innebära att metallen troligen är supraledande vid rumstemperatur, till skillnad från existerande supraledare, som måste kylas ner till minus 269 grader Celsius.

Vanliga elektriska ledare förlorar värme

1.

Det går en ström av elektroner från den negativa elektroden till den positiva elektroden när en spänning sätts över en elektrisk ledare, exempelvis koppar. Elektronernas hastighet är mycket nära ljusets.

2.

Kopparatomerna vibrerar i metallens kristallgitter och elektronerna kolliderar hela tiden med dem. Kollisionen förändrar elektronernas riktning, vilket får dem att avge en del av sin energi som värme.

Supraledare leder ström utan motstånd. Det betyder bland annat att el som sänds in i en spole av ett supraledande material kan åka runt i spolen hur länge som helst utan att förlora energi. Det gör att man kan lagra stora mängder elenergi från vindkraftverk och solceller.

En supraledande kabel kan dessutom transportera stora mängder ström till världens avkrokar utan att förlora energi längs vägen. Därför fortsätter forskarna att arbeta med att försöka framställa metalliskt väte, även i stor skala, så att de små väteproverna i laboratoriet kan bli till kilometervis av kablar i framtidens gröna elnät.

Supraledare bildar elektronpar

1.

En elektron kan färdas genom en supraledare utan att träffa atomerna i gittret. I fast metalliskt väte består gittret av positiva protoner.

2.

Elektronen drar ihop gittret när den passerar. Det skapar en positiv laddning bakom den, vilket drar till sig en ny elektron.

3.

Den positiva laddningen i ett framförliggande elektronpar drar paret genom supraledaren utan resistans.

Läs också:

Solsystemet

Saturnus nordpol har ändrat färg

2 minuter
Solsystemet

Fråga oss: Var börjar ytan på en gasplanet?

2 minuter
Isterninger flyder, fordi is er lettere end flydende vand.
Fenomen inom fysiken

Därför flyter istärningar

2 minuter

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!