الهيدروجين السائل

الهيدروجين السائل ₍ H2 ( l) ) هو الحالة السائلة لعنصر الهيدروجين . يوجد الهيدروجين بشكل طبيعي في ^صورة جزيئية H2 . ^[ ₄ ^]

لكي يوجد الهيدروجين السائل، _يجب تبريده إلى ما دون نقطته الحرجة البالغة 33 كلفن . ومع ذلك، لكي يكون في حالة سائلة تمامًا عند الضغط الجوي ، يحتاج الهيدروجين _السائل إلى التبريد إلى 20.28 كلفن (-252.87 درجة مئوية؛ -423.17 درجة فهرنهايت) . ^{[ 5 ]} تتضمن إحدى الطرق الشائعة للحصول على الهيدروجين السائل استخدام ضاغط يشبه محرك الطائرة النفاثة في الشكل والمبدأ. يُستخدم الهيدروجين السائل عادةً كشكل مركز لتخزين الهيدروجين . ويشغل تخزينه كسائل مساحة أقل من تخزينه كغاز عند درجة الحرارة والضغط العاديين. ومع ذلك، فإن كثافة السائل منخفضة جدًا مقارنةً بأنواع الوقود الشائعة الأخرى. وبمجرد تسييله، يمكن الحفاظ عليه كسائل لفترة من الوقت في حاويات معزولة حراريًا. ^{[ 6 ]}    

يوجد متصاوغان دورانيان للهيدروجين . يتكون الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة من 75% هيدروجين أورثو. عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يتحول الهيدروجين السائل طاردًا للحرارة إلى هيدروجين بارا. تتكون حالة الطاقة الديناميكية الحرارية الأدنى للهيدروجين السائل من 99.79% هيدروجين بارا و0.21% هيدروجين أورثو. ^{[ 5 ]} لتجنب انبعاث الحرارة الطاردة للحرارة وما ينتج عنه من تبخر مفرط أثناء التخزين، يُستخدم التحويل التحفيزي إلى هيدروجين بارا أثناء التسييل.

يتطلب الهيدروجين نظريًا حدًا أدنى قدره 3.3 كيلوواط ساعة/كجم (12 ميجا جول/كجم) لإسالته، و 3.9 كيلوواط ساعة/كجم (14 ميجا جول/كجم) عند تحويله إلى المتصاوغ البارا. تستهلك محطات التسييل الحالية ما بين 10 و13 كيلوواط ساعة/كجم (36-47 ميجا جول/كجم) مقارنةً بقيمة حرارية للهيدروجين تبلغ 33 كيلوواط ساعة/كجم (119 ميجا جول/كجم) . ^{[ 7 ]} وتشير دراسات حديثة إلى أن المحطات المستقبلية من المتوقع أن تخفض الطلب النوعي على الطاقة إلى النصف، ليصل إلى 6.5 كيلوواط ساعة/كجم (23 ميجا جول/كجم). ^{[ 8 ]}          

في عام 1885، نشر زيجمونت فلورنتي فروبليفسكي درجة الحرارة الحرجة للهيدروجين عند 33 كلفن (-240.2 درجة مئوية؛ -400.3 درجة فهرنهايت) ؛ والضغط الحرج عند 13.3 ضغط جوي قياسي (195 رطل لكل بوصة مربعة) ؛ ونقطة الغليان عند 23 كلفن (-250.2 درجة مئوية؛ -418.3 درجة فهرنهايت) .       

تمكن جيمس ديوار من تسييل الهيدروجين عام 1898 باستخدام التبريد التجديدي واختراعه، وهو القنينة المفرغة من الهواء . أما أول تخليق للشكل المستقر من الهيدروجين السائل، وهو الباراهيدروجين، فقد حققه بول هارتيك وكارل فريدريش بونهوفر عام 1929.

يمكن أن يكون لنواتي جزيء الهيدروجين حالتان دورانيتان مختلفتان . الهيدروجين المتوازي (باراهيدروجين)، حيث يكون دوران النواتين متعاكسًا، أكثر استقرارًا من الهيدروجين المتعامد (أورثوهيدروجين)، حيث يكون دوران النواتين متوازيًا. عند درجة حرارة الغرفة، يكون الهيدروجين الغازي في الغالب على شكل متصاوغ أورثو نتيجة للطاقة الحرارية، ولكن الخليط الغني بالأورثو يكون شبه مستقر فقط عند تسييله في درجة حرارة منخفضة. يخضع هذا الخليط ببطء لتفاعل طارد للحرارة ليتحول إلى متصاوغ بارا، مع إطلاق طاقة كافية على شكل حرارة لتسبب غليان جزء من السائل. ^{[ 9 ]} ولمنع فقدان السائل أثناء التخزين طويل الأمد، يتم تحويله عمدًا إلى متصاوغ بارا كجزء من عملية الإنتاج، عادةً باستخدام عامل حفاز مثل أكسيد الحديد الثلاثي ، أو الكربون المنشط ، أو الأسبستوس المطلي بالبلاتين، أو المعادن الأرضية النادرة، أو مركبات اليورانيوم، أو أكسيد الكروم الثلاثي ، أو بعض مركبات النيكل. ^{[ 9 ]}

يُعد الهيدروجين السائل وقودًا شائعًا للصواريخ السائلة في تطبيقات الصواريخ ، وتستخدمه وكالة ناسا والقوات الجوية الأمريكية ، اللتان تشغلان عددًا كبيرًا من خزانات الهيدروجين السائل بسعة فردية تصل إلى 3.8 مليون لتر (مليون جالون أمريكي). ^{[ 10 ]}

في معظم محركات الصواريخ التي تعمل بالهيدروجين السائل، يُبرّد أولاً الفوهة وأجزاء أخرى قبل مزجه بالمؤكسد، وهو عادةً الأكسجين السائل ، ثم يُحرق لإنتاج الماء مع آثار من الأوزون وبيروكسيد الهيدروجين . تعمل محركات الصواريخ العملية التي _{تعمل بالهيدروجين} والأكسجين بوقود غني بحيث يحتوي العادم على بعض الهيدروجين غير المحترق. هذا يقلل من تآكل غرفة الاحتراق والفوهة. كما أنه يقلل من الوزن الجزيئي للعادم، مما قد يزيد من الدفع النوعي ، على الرغم من الاحتراق غير الكامل.

يمكن استخدام الهيدروجين السائل كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي أو خلايا الوقود . تعمل عبّارة MF Hydra بالهيدروجين السائل. وقد بُنيت غواصات عديدة ، منها الغواصة من طراز 212 والغواصة من طراز 214 ، بالإضافة إلى مركبات تجريبية تعمل بالهيدروجين ، باستخدام هذا النوع من الهيدروجين، مثل DeepC و BMW H2R وغيرها. ونظرًا لتشابهه مع أنظمة الغاز الطبيعي المسال ، يمكن للمصنّعين أحيانًا تعديل المعدات ومشاركتها مع أنظمة مصممة لهذا النوع من الغاز. ويجري حاليًا دراسة الهيدروجين السائل كوقود خالٍ من الكربون للطائرات . ونظرًا لانخفاض طاقته الحجمية ، فإن كميات الهيدروجين اللازمة للاحتراق كبيرة. وفي حال عدم استخدام الحقن المباشر ، فإن تأثير إزاحة الغاز الشديد يعيق عملية الاحتراق ويزيد من خسائر الضخ.

يُستخدم الهيدروجين السائل أيضًا لتبريد النيوترونات لاستخدامها في تشتت النيوترونات . ولأن النيوترونات ونوى الهيدروجين لها كتل متقاربة، فإن تبادل الطاقة الحركية لكل تفاعل يكون في أقصى حد ( تصادم مرن ). كما استُخدم الهيدروجين السائل فائق التسخين في العديد من تجارب حجرة الفقاعات .

استخدمت أول قنبلة نووية حرارية ، وهي قنبلة آيفي مايك ، الديوتيريوم السائل ، المعروف أيضًا باسم الهيدروجين-2، للاندماج النووي .

ينتج عن احتراق الهيدروجين في بيئة من الأكسجين النقي بخار الماء فقط. مع ذلك، قد تؤدي درجات حرارة الاحتراق العالية ووجود النيتروجين في الغلاف الجوي إلى كسر الروابط الثلاثية N≡N، مُكَوِّنةً أكاسيد النيتروجين السامة (NOx) في حال عدم تنقية العادم. ^{[ 11 ]} ولأن الماء يُعتبر عادةً غير ضار بالبيئة، يُمكن اعتبار المحرك الذي يحرقه " خالياً من الانبعاثات ". أما في مجال الطيران، فيُساهم بخار الماء المنبعث في الغلاف الجوي في ظاهرة الاحتباس الحراري (بدرجة أقل من _ثاني أكسيد الكربون ). ^{[ 12 ]} كما يتميز الهيدروجين السائل بطاقة نوعية أعلى بكثير من البنزين والغاز الطبيعي والديزل. ^{[ 13 ]}

تبلغ كثافة الهيدروجين السائل 70.85  كجم/م³ ^فقط (عند 20 كلفن )، أي بكثافة نسبية تبلغ 0.07 فقط. وعلى الرغم من أن طاقته النوعية تزيد عن ضعف طاقة أنواع الوقود الأخرى، إلا أن هذا يمنحه كثافة طاقة حجمية منخفضة بشكل ملحوظ ، أقل بكثير. 

يتطلب الهيدروجين السائل تقنيات تخزين مبردة، مثل حاويات خاصة معزولة حراريًا، كما يتطلب معالجة خاصة، وهي سمة مشتركة لجميع أنواع الوقود المبرد . وهذا مشابه للأكسجين السائل ، ولكنه أكثر قسوة . فحتى مع الحاويات المعزولة حراريًا، يصعب الحفاظ على درجة حرارة منخفضة كهذه، ويتسرب الهيدروجين تدريجيًا (بمعدل 1% يوميًا ^{[ 13 ]} ). كما أنه يشترك في العديد من مشاكل السلامة نفسها التي تواجهها أنواع الهيدروجين الأخرى، فضلًا عن كونه باردًا لدرجة كافية لتسييل أو حتى تجميد الأكسجين الجوي، مما قد يشكل خطر انفجار.

تقع النقطة الثلاثية للهيدروجين عند 13.81  كلفن ^{[ 5 ]} و 7.042  كيلو باسكال. ^{[ 14 ]}

بسبب انخفاض درجة حرارته، يُشكل الهيدروجين السائل خطرًا على صحة الإنسان، إذ يُسبب حروقًا باردة . الهيدروجين نفسه خامل بيولوجيًا، وخطورته الوحيدة على صحة الإنسان في حالته الغازية هي إزاحة الأكسجين، مما يؤدي إلى الاختناق ، بالإضافة إلى قابليته العالية للاشتعال وقدرته على الانفجار عند اختلاطه بالهواء. ونظرًا لقابليته للاشتعال، يجب إبقاء الهيدروجين السائل بعيدًا عن الحرارة أو اللهب إلا عند الرغبة في إشعاله. على عكس الهيدروجين الغازي في درجة حرارة الغرفة، الأخف من الهواء، فإن الهيدروجين المُتبخر حديثًا من الحالة السائلة يكون باردًا جدًا لدرجة أنه أثقل من الهواء، ويمكن أن يُشكل مخاليط قابلة للاشتعال من الهواء والهيدروجين.

يشكل انخفاض درجة الحرارة إلى ما دون درجة غليان الأكسجين خطراً غير مباشر على السلامة. وقد يؤدي تعريض حاويات الهيدروجين السائل غير المعزولة حرارياً بشكل كافٍ للهواء إلى تكثف الهواء على سطحها الخارجي، مما ينتج عنه زيادة في نسبة الأكسجين قد تتسبب في اشتعال المواد القابلة للاشتعال تلقائياً.