In het lab van NIF (National Ignition Facility) in de VS staat een klein waterstofmonster onder enorme druk. De druk in de proefkamer is zo groot dat het gas in een vloeibare fase is overgegaan. Maar voor de waterstofdruppel begint de echte ellende nu pas.
Onderzoekers zetten ’s werelds grootste laser aan en het felle licht stelt de testkamer bloot aan enorme krachten. De druk neemt geleidelijk toe tot een duizelingwekkende 2 miljoen atmosfeer – bijna net zo hoog als in de aardkern. Maar dan gebeurt het. Op de meetinstrumenten zien de wetenschappers eerst dat de heldere waterstofdruppel in de kamer donker en ondoorzichtig wordt – en dan een glanzend vloeibaar metaal.
Vloeibaar waterstofmetaal vormt het grootste deel van het binnenste van grote gasplaneten, dus de zilverkleurige druppel kan ons veel leren over bijvoorbeeld Jupiter en Saturnus. Maar het is ook een grote stap naar het creëren van vast waterstofmetaal, wat volgens de natuurkundigen een waar wondermateriaal moet zijn.
Met waterstofmetaal in vaste vorm als brandstof komt een ruimtevaartuig verder de ruimte in dan ooit tevoren, en in hoogspanningskabels en elektrische circuits kan het metaal stroom geleiden zonder enige weerstand.
Simpele stof kent vele vormen
Waterstof is het meest voorkomende en simpele element van het heelal. Het atoom bestaat uit één proton met een elektron. In de natuur komt het vooral in moleculaire vorm voor, waarbij twee waterstofatomen zijn gekoppeld.
Ondanks zijn eenvoudige structuur kan waterstof enorm veel fasen aannemen. Bij normale atmosferische druk kent waterstof zoals alle andere elementen drie fasen: gasvormig, vloeibaar en vast. Tot temperaturen van -240 °C is waterstof een gas, en daaronder condenseert hij tot een vloeistof. Bij temperaturen lager dan -259 °C bevriest de vloeistof tot waterstofijs.
National Ignition Facility in Californië, VS, is in het bezit van de grootste laser op aarde.
Maar wanneer de druk én temperatuur worden verhoogd, kan waterstof nog eens acht vormen aannemen. Onder die extreme omstandigheden zal de waterstof vloeibaar of vast zijn, maar de dichtheid van atomen varieert, wat verschillende eigenschappen oplevert. In vloeibare vorm kent het element drie fasen, waarvan vloeibare metallische waterstof het meest compact is.
Vloeibaar waterstofmetaal ontstaat bij temperaturen van ten minste 1000 °C en een druk van minimaal 2 miljoen atmosfeer. Maar de vloeistof is instabiel en verdampt snel tot een gas wanneer de druk wegvalt, dus wetenschappers kunnen zijn eigenschappen alleen vluchtig onderzoeken in een lab met grote drukkamers, zoals NIF in Californië in de VS. En er is reikhalzend uitgekeken naar het laatste resultaat van het lab, dat in 2018 verscheen in het wetenschapsblad Science.
Volgens de theorieën van de astronomen zijn er binnenzeeën van vloeibare metallische waterstof op Jupiter en Saturnus. Naar schatting bestaat 80 procent van de massa van deze gasreuzen uit dit vloeibare metaal. Waarschijnlijk worden in de zeeën de extreem sterke magnetische velden van die planeten gevormd.
-259 °C is de temperatuur waarbij waterstof onder de normale druk vast wordt.
Daarom is het voor de astronomen goed nieuws dat natuurkundigen na tientallen jaren van experimenteren hebben bewezen dat metallische waterstof bestaat en nu de eigenschappen van het metaal kunnen gaan onderzoeken met experimenten.
Dankzij de doorbraak is het makkelijker de observaties van de Junosatelliet die om Jupiter draait, te interpreteren en te leren hoe het chaotische magnetische veld van de planeet vlak bij het oppervlak wordt gegenereerd.
Onderzoekers zetten kleine waterstofmonsters zwaar onder druk in een diamantdrukcel.
De onderzoekers willen vooral weten of vloeibaar waterstofmetaal stroomt als water of dat het een supervloeibare vloeistof is, wat in theorie mogelijk is. In zo’n vloeistof bewegen de atomen zonder weerstand te ondervinden, dus wanneer de vloeistof eenmaal in beweging is gebracht, gaat deze in principe voor altijd verder. En blijkt waterstofmetaal supervloeibaar te zijn, dan zegt dit iets over de bewegingspatronen in de metalen binnenzeeën van de gasreuzen en hun magnetische eigenschappen.
Op naar vast waterstofmetaal
De volgende grote stap is waterstofmetaal in vaste vorm produceren. De zoektocht naar metallische waterstof begon al in 1935 toen de twee natuurkundigen Eugene Wigner en Hillard Huntington uit de VS voorspelden dat waterstof zó kon worden samengeperst dat het gas zou veranderen in een vaste stof met metallische eigenschappen en een tien keer zo compacte atoomstructuur.
80% van Jupiter en Saturnus kan bestaan uit vloeibare metallische waterstof.
Volgens hun berekeningen zou dit gebeuren bij een druk van 250.000 atmosfeer, maar na tientallen jaren van experimenteren blijkt dat er een veel hogere druk voor nodig is.
Vast waterstofmetaal heeft een groot voordeel: in tegenstelling tot de vloeibare vorm heeft de vaste stof in theorie de eigenschap dat deze, wanneer hij eenmaal is gemaakt, zijn vorm en zijn metallische eigenschappen behoudt, zelfs onder de normale atmosferische druk.
Het is net als met diamanten die ontstaan onder de hoge temperatuur en druk diep in de aarde en hun compacte atoomstructuur behouden wanneer ze worden opgediept – en dus niet weer uitzetten tot grafiet.
168 lasers maken vloeibaar metaal
Licht voel je niet, maar als het intens genoeg is, oefenen lichtdeeltjes druk uit. Bij de National Ignition Facility in de VS beschoten onderzoekers een monster van vloeibare waterstof met het licht van 168 lasers. Onder de enorme druk veranderde de waterstof in een glanzend, vloeibaar metaal.
1.
Licht van 168 lasers valt in de laserversterker: een lang kanaal waarin het laserlicht heen en weer schiet, terwijl het continu versterkt wordt.
2.
Krachtige lampen flitsen naar atomen in glazen buisjes met gas. De atomen zenden extra licht uit, dat het laserlicht in het kanaal versterkt.
3.
Het laserlicht komt aan bij de proefkamer, waar de 168 laserstralen samen een metalen cilinder in gaan, waarin
de monsterhouder zit.
4 De laserstralen schieten in de cilinder heen en weer en oefenen extreem sterke lichtdruk uit op de monsterhouder. Het waterstofmonster zit tussen een koperen stempel en een kijkvenster.
5 Bij elke laserpuls duwt de stempel tegen het venster en stijgen de temperatuur en druk. Bij 2 miljoen atmosfeer en 2000 °C ontstond er zo vloeibare metallische waterstof.
In 2017 is een onderzoeksgroep van Isaac Silvera van Harvard University in de VS het felbegeerde metaal het dichtst genaderd. Het team stelde vaste waterstof bloot aan een druk van 4,95 miljoen atmosfeer in een diamantdrukcel, waarin vaste waterstof tussen de uiteinden van twee diamanten wordt geplaatst en samengeperst.
De wetenschappers observeerden hoe de stof veranderde van een transparante isolator (een stof die geen elektriciteit kan geleiden) via een donkere halfgeleider in een glanzend vast metaal, het eerste in zijn soort dat ooit op aarde gemaakt is.
De onderzoekers lieten het monster in de drukcel en publiceerden de resultaten snel in Science. De ontdekking werd met een mengeling van enthousiasme en scepsis ontvangen, want sommige natuurkundigen twijfelden of er wel sprake was van waterstofmetaal.
Om te voorkomen dat de waterstofatomen in de diamantaambeelden in de drukcel werden geduwd, waren de laatste gecoat met superdicht aluminiumoxide, wat het monster vervuild kan hebben.
Een supergeleider stoot magnetische velden af. Hier zweeft een kleine magneet boven een supergeleider die gekoeld is tot -200 °C. Dit principe wordt veel toegepast bij snelle magnetische treinen, die wrijvingsloos over de supergeleidende, sterk gekoelde rails zweven. Volgens onderzoekers is vast waterstofmetaal bij kamertemperatuur een supergeleider, en is er bij deze stof dus geen koeling nodig.
Daarom plande Isaac Silvera een reeks experimenten die moesten uitwijzen of de waterstof een vast metaal was geworden. Eerst zou een versneller röntgenstralen op het monster afvuren dat zich nog in de drukcel bevond om te kunnen bepalen of de waterstof de voorspelde dichte atoomstructuur had.
Daarna zou de cel geopend worden om te zien of het waterstofmetaal stabiel was bij atmosferische druk. Zo ja, dan konden elektrische metingen aangeven of het metaal een gewone elektrische geleider of een supergeleider was. Maar voordat de experimenten begonnen, zou een lasermeting de druk in het monster nauwkeurig bepalen. En hier ging het mis.
Raketten komen verder op een liter
Veel raketten vliegen op vloeibare waterstof, waarbij 1 kilo brandstof 460 seconden lang een opwaartse drukkracht op 1 kilo levert wanneer de brandstof in de motor wordt ontstoken. 1 kilo vast waterstofmetaal kan bijna vier keer zoveel drukkracht (1700 seconden) op 1 kilo leveren.
Toen de laser aanging, verbrijzelde de laserstraal een van de diamanten in het aambeeld – en weg was het monster. Daar geeft Silvera twee mogelijke verklaringen voor.
De eerste is dat het monster met zijn dikte van 1,5 micrometer en diameter van 10 micrometer – ongeveer een vijfde van een mensenhaar – ergens in het verpulverde diamant of in de kapotte pakkingen van de drukcel verstopt zit. De tweede en meer opzienbarende optie is dat vast waterstofmetaal niet stabiel is bij atmosferische druk en gewoon verdampt.
Dat zou een klap in het gezicht van de onderzoekers zijn, want dan is de praktische toepasbaarheid van vast waterstofmetaal wel heel gering.
Technologische revolutie
Sinds de mislukte meting hebben de onderzoekers de diamanten drukcellen verbeterd en het experiment herhaald, en volgens Isaac Silvera komen de resultaten eraan.
Als Silvera’s team kan aantonen dat vast waterstofmetaal net als diamant stabiel blijft wanneer de druk wordt verlicht, zijn de technologische vooruitzichten enorm. Dit betekent dat het metaal zeer waarschijnlijk supergeleidend is bij kamertemperatuur, in tegenstelling tot bestaande supergeleiders, die moeten worden gekoeld tot -269 °C.
Gewone elektrische geleiders verliezen warmte
1.
Als een elektrische geleider als koper onder spanning wordt gezet, loopt er een stroom elektronen van de negatieve naar de positieve elektrode. De snelheid van de elektronen ligt vlak bij de lichtsnelheid.
2.
De koperatomen trillen in het kristalrooster van het metaal, en de elektronen botsen er constant tegenaan. Daardoor veranderen de elektronen van richting, waardoor ze een deel van hun energie afstaan als warmte.
Een supergeleider geleidt stroom zonder weerstand. Stroom die door een spoel van supergeleidend materiaal loopt, zou er dus voor altijd in circuleren zonder energie te verliezen. Dit maakt het mogelijk om veel elektrische energie van windturbines en zonnecellen op te slaan.
Bovendien kan een supergeleidende kabel stroom brengen naar alle uithoeken van de wereld zonder energie te verliezen. Daarom blijven onderzoekers hopen op waterstofmetaal – ook op grote schaal, zodat ze de waterstofmonsters uit het lab kunnen omzetten in kabels voor het groene elektriciteitsnet van de toekomst.
Supergeleiders vormen elektronenparen
1.
Een elektron schiet door de supergeleider zonder de atomen in het rooster te raken. In vast waterstofmetaal bestaat het rooster uit positieve protonen.
2.
Het elektron trekt het rooster samen. Dat leidt tot een positieve lading erachter, die weer een nieuw elektron aantrekt.
3.
De positieve lading van het eerste elektronenpaar sleept het tweede paar zonder weerstand door de supergeleider.