Inhoud
- TL; DR (te lang; niet gelezen)
- Gebruik van vloeibare waterstof
- Gas in vloeistof veranderen
- Kritische druk bereiken
- Dingen koel houden
Waterstof is het meest voorkomende element in het universum. Samengesteld uit één proton en één elektron, is het het lichtste element dat de mensheid kent - en vanwege zijn vermogen om energie samen met zijn overvloed op aarde te dragen, kan waterstof de sleutel zijn tot een schonere, efficiëntere stroomvoorziening. Als het echter gaat om het opslaan van waterstof voor gebruik, moet er een hindernis worden genomen: waterstof bestaat standaard als gas, maar is het meest nuttig als het wordt opgeslagen als vloeistof. Helaas is vloeibaar maken van waterstof niet zo eenvoudig als stoom in vloeibaar water veranderen. Het kost veel meer werk om vloeibare waterstof te maken - maar methoden om dit te doen bestaan al bijna 150 jaar en wetenschappers maken het de hele tijd gemakkelijker.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Terwijl waterstof in de eerste plaats vloeibaar wordt gemaakt om grote hoeveelheden van het element op te slaan, wordt vloeibare waterstof gebruikt als cryogeen koelmiddel, als onderdeel van geavanceerde brandstofcellen en als een kritisch onderdeel van de brandstof die wordt gebruikt om de motoren van shuttles aan te drijven. Om waterstof vloeibaar te maken, moet het op zijn kritische druk worden gebracht en vervolgens worden afgekoeld tot temperaturen onder 33 graden Kelvin.
Gebruik van vloeibare waterstof
Hoewel wetenschappers nog steeds manieren onderzoeken om van waterstof een bruikbare, grootschalige stroombron te maken, wordt vloeibare waterstof voor verschillende toepassingen gebruikt. Het beroemdst is dat NASA en andere ruimtevaartorganisaties een combinatie van vloeibare waterstof en andere gassen zoals zuurstof en fluor gebruiken om grote raketten van stroom te voorzien - en buiten de aardatmosfeer wordt waterstof in vloeibare vorm gebruikt als drijfgas om ruimtevoertuigen te verplaatsen. Op aarde wordt vloeibare waterstof ook op grote schaal gebruikt als cryogeen koelmiddel en als onderdeel van geavanceerde brandstofcellen die ooit auto's, huizen en fabrieken van stroom kunnen voorzien.
Gas in vloeistof veranderen
Niet alle elementen gedragen zich hetzelfde onder het natuurlijke temperatuurbereik, de atmosferische druk en de zwaartekracht van de aarde. Water is uniek omdat het onder deze omstandigheden tussen zijn vaste, vloeibare en gasvormige toestand kan schakelen, maar ijzer is standaard vast - terwijl waterstof normaal gesproken gas is. Vaste stoffen kunnen worden omgezet in vloeistoffen en uiteindelijk gassen door warmte toe te passen totdat het element zijn smelt- en vervolgens kookpunt bereikt, en gassen werken omgekeerd: ongeacht de elementaire samenstelling, kan een gas vloeibaar worden gemaakt door het af te koelen en vloeibaar te worden op het punt van condensatie en vaste stof op het punt van bevriezing. Om waterstof effectief op te slaan en te transporteren voor gebruik, moet het gasvormige element eerst in een vloeistof worden omgezet, maar elementen zoals waterstof die op aarde als gassen voorkomen, kunnen standaard niet alleen worden gekoeld om ze in vloeistoffen om te zetten. Deze gassen moeten eerst onder druk worden gezet om omstandigheden te creëren waarin het vloeibare element kan bestaan.
Kritische druk bereiken
Het kookpunt van waterstof is ongelooflijk laag - bij iets minder dan 21 graden Kelvin (ruwweg -421 graden Fahrenheit) zal vloeibare waterstof in een gas veranderen. En omdat pure waterstof ongelooflijk brandbaar is, is het voor veiligheidsredenen de eerste stap om waterstof vloeibaar te maken het op zijn kritieke druk te brengen - het punt waarop, zelfs als waterstof op zijn kritieke temperatuur is (de temperatuur waarbij alleen druk geen gas kan draaien) in een vloeistof), wordt het gedwongen vloeibaar te worden. Waterstof wordt door een reeks condensors, smoorkleppen en compressoren gepompt om het op zijn druk van 13 bar te brengen, of ongeveer 13 keer de standaard atmosferische druk van de aarde. Terwijl dit gebeurt, wordt de waterstof gekoeld om het in vloeibare vorm te houden.
Dingen koel houden
Hoewel waterstof altijd onder druk moet worden gezet om een vloeibare toestand te behouden, kan het proces van afkoelen om het vloeibaar te houden verschillen. Kleine, gespecialiseerde koelunits kunnen worden gebruikt, evenals krachtige warmtewisselaars die naast het drukproces werken. Hoe dan ook, het waterstofgas moet onder ten minste 33 graden Kelvin (kritische waterstoftemperatuur) worden gebracht om een vloeistof te worden. Deze temperaturen moeten te allen tijde worden gehandhaafd om ervoor te zorgen dat de vloeibare waterstof in die vorm blijft; bij temperaturen onder de 21 graden Kelvin bereik je het waterstofkookpunt en begint het vloeibare element terug te keren naar zijn gasvormige toestand. Dit temperatuur- en drukbehoud maakt opslag, transport en gebruik van vloeibare waterstof op dit moment zo duur.