Жидкий водород

Жи́дкий водоро́д (ЖВ, жH2, жH₂, LH2, LH₂) — жидкое агрегатное состояние водорода, с низкой плотностью — 0,07 г/см³, и криогенными свойствами с точкой замерзания 14,01 K (−259,14 °C) и точкой кипения 20,28 K (−252,87 °C)^[1]. Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном коэффициента воспламенения 4—75 %. Спиновое соотношение изомеров в жидком водороде^[англ.] составляет: 99,79 % — параводород; 0,21 % — ортоводород^[2]. Коэффициент расширения^[англ.] водорода при смене агрегатного состояния на газообразное при комнатной температуре составляет 848:1.

Как и для любого другого газа, сжижение водорода приводит к уменьшению его объёма. После сжижения жидкий водород хранится в термически изолированных контейнерах под давлением. Жидкий водород используется в промышленности (в качестве формы хранения газа) и в космонавтике (в качестве криогенного ракетного топлива).

Первое документированное использование искусственного охлаждения в 1756 году было осуществлено английским учёным Вильямом Калленом^[3], Гаспар Монж первым получил жидкое состояние оксида серы в 1784 году, Майкл Фарадей первым получил сжиженный аммиак, американский изобретатель Оливер Эванс первым разработал холодильный компрессор в 1805 году, Яков Перкинс первым запатентовал охлаждающую машину в 1834 году, и Джон Гори первым в США запатентовал кондиционер в 1851 году^[4][5], Вернер Сименс предложил концепцию регенеративного охлаждения в 1857 году, Карл Линде запатентовал оборудование для получения жидкого воздуха с использованием каскадного «эффекта расширения Джоуля — Томсона» и регенеративного охлаждения^[6] в 1876 году. В 1885 году польский физик и химик Зигмунд Вро́блевский опубликовал критическую температуру водорода 33 K, критическое давление 13,3 атм и точку кипения при 23 K. Впервые водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и своего изобретения, сосуда Дьюара. Первый синтез устойчивого изомера жидкого водорода — параводорода — был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Бонхеффером в 1929 году.

Водород при комнатной температуре состоит на 75 % из спинового изомера ортоводорода. После производства жидкий водород находится в метастабильном состоянии и должен быть преобразован в параводородную форму, чтобы избежать спонтанной экзотермической реакции его превращения, приводящей к сильному самопроизвольному испарению полученного жидкого водорода. Преобразование в параводородную фазу обычно производится с использованием таких катализаторов, как оксид железа, оксид хрома, активированный уголь, покрытых платиной асбестов, редкоземельных металлов или путём использования урановых или никелевых добавок^[7].

Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов. Различные проекты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода (см. например DeepC^[англ.] или BMW H2R^[англ.]). Благодаря близости конструкций, создатели техники на жидком водороде могут использовать или только дорабатывать системы, использующие сжиженный природный газ (СПГ). Однако из-за более низкой объёмной плотности энергии для горения требуется больший объём водорода, чем природного газа. Если жидкий водород используется вместо СПГ в поршневых двигателях, обычно требуется более громоздкая топливная система. При прямом впрыске увеличившиеся потери во впускном тракте уменьшают наполнение цилиндров.

Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию. Массы нейтрона и ядра водорода практически равны, поэтому обмен энергией при упругом столкновении наиболее эффективен.

Преимуществом использования водорода является «нулевой уровень выбросов». Продуктом его взаимодействия с кислородом в воздухе является вода, но в реальности — как и в случае с обычными ископаемыми энергоносителями — из-за наличия в воздухе молекул азота при горении водорода образуется также незначительное количество оксидов азота. В качестве топлива для транспортных средств, эксплуатируемых на открытом воздухе, водород при авариях и протечках не скапливается на месте, а уходит вверх, в атмосферу, что снижает пожароопасность.

Один литр жидкого водорода весит всего 0,07 кг. То есть его удельная плотность составляет 71 г/л при 20 K. Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные теплоизолированные ёмкости и требует особого обращения, что свойственно для всех криогенных материалов. Он близок в этом отношении к жидкому кислороду, но требует большей осторожности из-за пожароопасности. Даже в случае с ёмкостями с тепловой изоляцией его тяжело содержать при той низкой температуре, которая требуется для его сохранения в жидком состоянии (обычно он испаряется со скоростью 1 % в день^[8]. При обращении с ним также нужно следовать обычным мерам безопасности при работе с водородом («Водородная безопасность») — он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно. Жидкий водород при атмосферном давлении имеет очень узкий температурный диапазон стабильности — всего 7 градусов Цельсия, что создает определённые трудности при хранении.

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

Жидкий водород является распространённым компонентом ракетного топлива, которое используется для реактивного ускорения ракет-носителей и космических аппаратов. В большинстве жидкостных ракетных двигателей на водороде он сначала применяется для регенеративного охлаждения сопла и других частей двигателя перед его смешиванием с окислителем и сжиганием для получения тяги. Используемые современные двигатели на компонентах H₂/O₂ потребляют переобогащённую водородом топливную смесь, что приводит к некоторому количеству несгоревшего водорода в выхлопе. Кроме увеличения удельного импульса двигателя за счёт уменьшения средней молекулярной массы, это ещё сокращает эрозию сопла и камеры сгорания.

Такие препятствия использования жидкого водорода в других областях, как криогенная природа и малая плотность, являются также сдерживающим фактором для использования в данном случае. На 2009 год существует только одна ракета-носитель («Дельта-4»), которая целиком является водородной ракетой. В основном жидкий водород используется либо на верхних ступенях ракет, либо на разгонных блоках, которые значительную часть работы по выводу полезной нагрузки в космос выполняют в вакууме. В качестве одной из мер по увеличению плотности этого вида топлива существуют предложения использования шугообразного водорода, то есть полузамёрзшей формы жидкого водорода.

Данные приводятся на основании таблиц, опубликованных в США в рамках проекта сбора термодинамических данных «JANAF» (англ. Joint Army Navy Air Force, «Сборник ВМС и ВВС армии США»)^[9], которые широко используются в этих целях. Изначально вычисления производились компанией «Рокетдайн».^[10] При этом делались предположения, что имеет место адиабатическое сгорание, изоэнтропийное расширение в одном направлении и имеет место смещение равновесного состояния. Кроме варианта использования водорода в качестве горючего, приводятся варианты с использованием водорода в качестве рабочего тела, что объясняется его небольшой молекулярной массой. Все данные рассчитаны для давления в камере сгорания (КС), равного 68,05 атмосферы. Последняя строка таблицы содержит данные для газообразных водорода и кислорода.

В таблице использованы обозначения:

r — массовое соотношение смеси окислитель/горючее;

V_e [м/с] — средняя скорость истечения газов;

C* [м/с] — характеристическая скорость;

T_c [°C] — температура в КС;

d [г/см³] — средняя плотность топлива;

При этом V_e является той же единицей, что и удельный импульс, но приведена к размерности скорости [Н⋅с/кг], а C* вычисляется путём умножения давления в камере сгорания на коэффициент расширения площади сопла и последующего деления на массовый расход топлива и окислителя, что даёт приращение скорости на единицу массы.

Жидкий водород довольно опасен для человека. Попадание жидкого водорода на кожу может вызвать обморожение, а вдыхание паров привести к отёку лёгких.

• Криогеника
• Водород
• Топливо
• Ракетное топливо