I laboratoriet på National Ignition Facility (NIF) i USA er en lille brintprøve kommet under gevaldigt pres. Trykket i prøvekammeret er så voldsomt, at gassen har skiftet tilstandsform til væske. Men den lille brintdråbes strabadser er kun lige begyndt.
Nu tænder forskerne for verdens største laser, og det intense lys udsætter prøve-kammeret for enorme kræfter. Trykket i beholderen øges gradvist til svimlende to millioner atmosfærer – næsten så højt som inde i Jordens kerne. Pludselig sker forvandlingen. På måleinstrumenterne kan forskerne først se den glasklare brintdråbe i kammeret blive mørk og uigennemsigtig – og dernæst blive et skinnende, flydende metal.
Forskerne er begejstrede. Flydende brintmetal udgør størstedelen af store gasplaneters indre, så den lille, sølvfarvede dråbe kan gøre dem langt klogere på planeter som Jupiter og Saturn. Men endnu vigtigere er, at bedriften er et stort skridt på vejen til at skabe fast metallisk brint, som ifølge fysikernes teori er et sandt vidundermateriale. Med brintmetal i fast form som brændstof vil rumfartøjer kunne nå længere ud i rummet end nogensinde før, og i højspændingsledninger og elektriske kredsløb vil metallet kunne lede strøm helt uden modstand.
Simpelt stof har mange former
Brint er universets mest udbredte og simple grundstof. Atomet består af en enkelt proton, som er omkredset af en elektron. I naturen findes det primært i såkaldt molekylær form, hvor to brintatomer er gået sammen.
Trods dets simple struktur kan brint bringes i et forbløffende stort antal tilstande. Ved almindeligt atmosfærisk tryk findes brint ligesom alle andre grundstoffer i tre tilstandsformer: gas, væske og fast stof. Brint er gasformig ned til temperaturer på minus 240 °C, hvor den kondenserer til en væske. Ved temperaturer under minus 259 °C fryser væsken og bliver til brint-is.
National Ignition Facility i Californien, USA, er hjemsted for den største laser i verden.
Men når både tryk og temperaturer øges, kan brint antage yderligere otte forskellige former. Under disse ekstreme forhold vil brinten være enten flydende eller fast, men tætheden af atomer varierer og giver stoffet forskellige egenskaber. I væskeform kan stoffet dermed optræde i tre forskellige tilstande, hvoraf flydende metallisk brint er den mest kompakte.
Flydende brintmetal dannes ved temperaturer på mindst 1000 grader og tryk på mindst to millioner atmosfærer. Men tilstanden er ustabil, og væsken fordamper lynhurtigt til en gas, når trykket fjernes, så forskere kan kun
undersøge stoffets egenskaber flygtigt i store trykkammerlaboratorier som NIF i Californien i USA – og det nye resultat fra laboratoriet, som blev offentliggjort i 2018 i det videnskabelige tidsskrift Science, har været længe ventet.
Ifølge astronomernes teorier findes der nemlig indre oceaner af flydende metallisk brint i gas-giganterne Jupiter og Saturn. Det anslås, at op mod 80 procent af giganternes masse er udgjort af det flydende metal. Havene menes at være stedet, hvor gaskæmpernes ekstremt stærke magnetfelter bliver dannet.
-259 °C er den temperatur, hvor brint under almindeligt tryk bliver til fast stof.
Derfor er det godt nyt for astronomerne, at fysikerne efter årtiers forsøg endelig har bevist, at metallisk brint rent faktisk findes, og nu kan gå i gang med at undersøge metallets egenskaber eksperimentelt.
Gennembruddet gør det lettere at tolke observationerne fra Junosatellitten, som kredser om Jupiter og forsøger at gøre os klogere på, hvordan planetens kaotiske magnetfelt bliver genereret helt tæt på overfladen.
Forskere bruger såkaldte diamant-trykceller til at sætte små brintprøver under højt tryk.
Specifikt vil forskerne gerne vide, om flydende brintmetal har almindelige flydeegenskaber som vand, eller om det er en såkaldt superflydende væske, hvilket ifølge teorien er muligt. I en superflydende væske bevæger atomerne sig uden at møde modstand, så når væsken først er sat i bevægelse, fortsætter den i princippet i al evighed. Hvis metallisk brint viser sig at være superflydende, vil det have afgørende betydning for bevægelsesmønstrene i gasgiganternes indre oceaner af brintmetal og dermed for dets magnetiske egenskaber.
Jagten på fast brintmetal
Det næste store spring fremad bliver at fremstille brintmetallet i fast form. Jagten på metallisk brint begyndte tilbage i 1935, da de amerikanske fysikere Eugene Wigner og Hillard Huntington forudsagde, at brint kunne presses så hårdt sammen, at gassen ville blive omdannet til et fast stof med metalliske egenskaber og en ti gange mere kompakt atomstruktur.
80% af Jupiter og Saturn menes at være udgjort af flydende metallisk brint.
Ifølge deres beregninger burde transformationen ske ved et tryk på 250.000 atmosfærer, men årtiers forsøg har vist, at det kræver et langt højere tryk at skabe fast brintmetal.
Til gengæld har fast brintmetal en klar fordel: I modsætning til flydende brintmetal har stoffet i fast form ifølge teorien nemlig den egenskab, at når det først er fremstillet, fastholder det sin form og sine metalliske egenskaber selv under almindeligt atmosfærisk tryk.
Det kan sammenlignes med diamanter, som dannes af kulstof under høje tryk og temperaturer i Jordens indre, og som bevarer deres kompakte atomstruktur, når de hentes op fra dybet, frem for at svulme op til grafit.
168 lasere skaber flydende brintmetal
Normalt mærker vi ikke lys, men når det bliver tilstrækkelig intenst, kan lyspartikler yde et højt tryk. På National Ignition Facility i USA samlede forskere lyset fra 168 lasere og skød det ind mod en lille prøve af flydende brint. Det enorme tryk forvandlede brinten til et skinnende, flydende metal.
1.
Lyset fra 168 lasere sendes ind i laserforstærkeren, som er en lang kanal, hvor laserlyset farer frem og tilbage, mens det løbende forstærkes.
2.
Kraftige blitz-lamper anslår atomer i glasrør fyldt med gas. Det får atomerne til at udsende ekstra lys, der forstærker laserlyset i kanalen.
3.
Laserlyset når frem til forsøgskammeret, hvor de 168 laserstråler samles og ledes ind i en metalcylinder, der indeholder prøvebeholderen.
4. I cylinderen kastes laserstrålerne frem og tilbage og udøver et ekstremt kraftigt lystryk på prøvebeholderen. Brintprøven er anbragt mellem et kobberstempel og et gennemsigtigt vindue.
5. For hver laserpuls presses stemplet hårdt indad mod vinduet, hvilket øger både temperatur og tryk i prøven. Ved 2 mio. atmosfærer og 2000 grader blev prøven til flydende metallisk brint.
Det tætteste, forskerne hidtil har været på det eftertragtede metal, var under et forsøg i 2017. En forskergruppe under ledelse af Isaac Silvera fra Harvard University i USA udsatte fast brint for et tryk på 4,95 millioner atmosfærer i en såkaldt diamanttrykcelle, hvor fast brint anbringes mellem spidserne på to diamanter og trykkes sammen.
Forskerne observerede, hvordan stoffet skiftede tilstand fra at være en gennemsigtig isolator – altså et stof, der ikke kan lede elektricitet – over en mørk halvleder til et skinnende fast metal, det første af sin slags nogensinde på Jorden.
Forskerne lod prøven blive i trykcellen, mens resultaterne hurtigt blev publiceret i tidsskriftet Science. Opdagelsen blev mødt med både begejstring og skepsis, fordi nogle fysikere tvivlede på, at prøven rent faktisk var et brintmetal. For at forhindre brint-atomerne i at blive trykket ind i de to diamantambolte i trykcellen var selve diamanterne belagt med det supertætte stof aluminiumoxid. Nogle forskere mente, at belægningen forurenede prøven.
En superleder afstøder magnetfelter. Her ses en lille magnet svæve over en superleder, der er nedkølet til -200 grader. Princippet bruges stor skala i lynhurtige magnettog, som svæver friktionsløst over de superledende og stærkt nedkølede skinner. Forskere mener, at fast brintmetal er en superleder ved stuetemperatur og dermed kan løse samme opgave uden behov for nedkøling.
Derfor planlagde Silvera en serie af forsøg, som definitivt skulle vise, om brinten var blevet til et fast metal. Først skulle røntgenstråling fra en accelerator sendes gennem prøven, mens den stadig befandt sig i trykcellen, for at afklare, om brinten havde den forudsagte tætpakkede atomstruktur. Derpå skulle cellen åbnes, så man kunne se, om brintmetallet var stabilt ved atmosfærisk tryk.
I givet fald skulle elektriske målinger vise, om metallet var en almindelig elektrisk leder eller en superleder, som teorien forudsiger. Men inden forskerne satte testene i gang, ville de udføre en lasermåling, som præcist kunne bestemme trykket i prøven. Og her gik det galt.
Raketter flyver længere på literen
I dag er mange raketter drevet af flydende brint, hvor 1 kg brændstof yder en opadrettet trykkraft på 1 kg gennem 460 sekunder, når brændstoffet fyres af i raketmotoren. 1 kg fast brintmetal kan levere en trykkraft på 1 kg i 1700 sekunder – næsten fire gange så meget.
Da laseren blev tændt, smadrede laserstrålen en af diamanterne i ambolten, og prøven forsvandt. Det er der ifølge Silvera to mulige forklaringer på. Den første er, at prøven, som kun var 1,5 mikrometer tyk og 10 mikrometer bred – omkring en femtedel af diameteren på et menneskehår – gemmer sig et sted i den pulveriserede diamant eller i trykcellens ødelagte pakninger. Den anden og mere opsigtsvækkende mulighed er, at fast brintmetal ikke er stabilt ved atmosfærisk tryk, så prøven simpelthen er fordampet.
Det ville i så fald være en kæmpe mavepuster for forskerne, da den praktiske anvendelighed af fast brintmetal dermed ville være meget ringere.
En teknologisk revolution er nær
Lige siden den uheldige måling har forskerne arbejdet på at forbedre diamanttrykcellerne og gentage forsøget, og resultaterne er ifølge Isaac Silvera på trapperne.
Hvis Silvera og hans hold denne gang kan slå fast, at fast brintmetal er stabilt på samme måde som diamanter, når trykket lettes, er de teknologiske perspektiver svimlende. Det vil nemlig betyde, at metallet højst sandsynligt er superledende ved stuetemperatur i modsætning til eksisterende superledere, der skal nedkøles til -269 °C.
Almindelige elektriske ledere taber varme
1.
Når en spænding sættes over en elektrisk leder som for eksempel kobber, løber en strøm af elektroner i retningen fra den negative elektrode mod den positive elektrode. Elektronernes hastighed er meget tæt på lysets.
2.
Kobberatomerne vibrerer i metallets krystalgitter, og elektronerne støder konstant ind i dem. Sammenstødet ændrer elektronernes retning, hvilket får dem til at afgive en del af deres energi som varme.
En superleder leder strøm helt uden modstand. Det betyder blandt andet, at en strøm, der sendes ind i en spole af superledende materiale, vil køre rundt i spolen i al evighed uden at tabe energi – det gør det muligt at oplagre store mængder elektrisk energi fra vindmøller og solceller.
Desuden kan et superledende kabel transportere store mængder strøm til alle afkroge af verden uden at miste energi undervejs. Derfor knokler forskerne videre med at skabe brintmetal – også i stor skala, så de små brintprøver i laboratoriet kan blive til kilometervis af kabler i fremtidens grønne elnet.
Superledere danner elektronpar
1.
En elektron kan rejse gennem en superleder uden at ramme atomerne i gitteret. I fast brintmetal består gitteret af positive protoner.
2.
Elektronen trækker gitteret sammen, når den passerer. Det skaber en positiv ladning bag den, som tiltrækker en ny elektron.
3.
Den positive ladning fra et foranliggende elektronpar trækker parret gennem superlederen uden at møde modstand.