Metallisch waterstof belooft de heilige graal van raketvoortstuwing te zijn: veel voortstuwing met weinig massa. Met een raket gevuld met metallisch waterstof is één rakettrap zelfs voldoende om de maan te bereiken. Er is één probleem. We hebben het spul nog steeds niet geproduceerd…
Raketten: het fundamentele probleem van massa en impuls
Auto’s en fietsen komen vooruit door zich af te zetten tegen de weg. Een propellorvliegtuig zet zich met de propellor af tegen de lucht. Een straalvliegtuig slikt lucht in en zet zich af tegen de uitgestoten straal lucht. Het probleem in het luchtledig van de ruimte is dat er niets is om je tegen af te zetten.
Raketten moeten heel veel brandstof meeslepen om te kunnen ontsnappen aan de aarde.
Dat is heel vervelend, want de wet van behoud van impuls, wellicht bekend van de middelbare school als het principe actie=reactie, is zelfs na vier eeuwen nog steeds zo ongeveer het meest heilige natuurkundige principe dat er bestaat.
Impuls is iets anders dan energie. Impuls is massa maal snelheid. Door massa een drie keer zo hoge snelheid mee te geven is de impuls te verdrievoudigen, maar de hoeveelheid energie die je daar voor nodig hebt vernegenvoudigt, met het kwadraat dus: bewegingsenergie is [latex]E=1/2 m*v^2[/latex]. Einsteins algemene relativiteitstheorie maakt de situatie nog beroerder: er is extreem veel energie voor nodig om massa te versnellen tot, zeg, 99% van de lichtsnelheid (om precies te zijn: meer dan Nederland in een half jaar aan elektriciteit verbruikt), maar de impuls is nog steeds [latex]0,99c * m[/latex], dat is de impuls van een langzaam rijdende trein. Met andere woorden: om massa te versnellen moet je heel veel massa (raketbrandstof) meenemen. Die ook weer versneld moet worden.
Gelukkig is er één kleine troost. Voortstuwing wordt om dezelfde reden veel effectiever bij hoge snelheden. Het kost evenveel impuls om te versnellen van nul naar één meter per seconde als het kost om van 100.000 naar 100.001 meter per seconde te versnellen terwijl de benodigde hoeveelheid energie in dat tweede geval twee keer zo hoog is.
Samengeperste waterstof
De gasreus Jupiter heeft het sterkste magnetisch veld van het zonnestelsel: meer dan tien keer zo sterk als dat van de aarde. De aarde heeft een vloeibare kern bestaande uit de (elektrisch geleidende) metalen ijzer en nikkel die een sterk magnetisch veld opwekken, maar Jupiter heeft nauwelijks metalen in zijn kern. Dus moet er iets anders zijn dat dit veld opwekt. Onderzoekers denken dat dit geheimzinnige materiaal waterstof is, zo dicht samengeperst dat het zich als een metaal gaat gedragen.
De gasreuzen Jupiter en Saturnus bestaan voor een groot deel uit metallische waterstof (donkergrijs), denken astrofysici.
Metallisch waterstof
Er bestaan vanuit elektrisch oogpunt twee soorten materialen: isolatoren en geleiders (en uiteraard allerlei interessante tussenvormen: halfgeleiders). In een geleider (zoals alle metalen) kunnen er sommige elektronen vrij bewegen. Daardoor geleiden ze elektriciteit. Waterstof bestaat uit een positief geladen atoomkern (doorgaans een enkel proton) en een negatief elektron dat er omheen hangt. Gewoonlijk zitten deze elektronen stevig vastgenageld aan de atoomkern. Het gevolg: er kan geen elektrische stroom (die immers bestaat uit elektronen) lopen door waterstof: het is een isolator.
Het verhaal wordt anders bij extreem hoge drukken en dichtheden. Elektronen en atoomkernen worden dan zo dicht op elkaar geperst dat waterstofatomen uiteenvallen en elektronen vrij tussen de atoomkernen kunnen bewegen, net als in een metaal. Deze gedegenereerde vorm van waterstof wordt metallisch waterstof genoemd. Op dit moment is alleen zeer kort metallisch waterstof geproduceerd. Toen onderzoekers in 1996 een kogel afvuurden op vloeibaar waterstof bleek de elektrische weerstand een fractie van een seconde sterk te dalen. De meest logische verklaring is dat de waterstof een fractie van een seconde in een metaal veranderde. Helaas zijn alle verdere pogingen om metallisch waterstof te produceren tot op dit moment mislukt, alhoewel wel supergeleiding is aangetoond in extreem samengeperst siliciumhydride (SiH4).
Volgens de theorie is er 400 gigapascal, ongeveer vier miljoen atmosfeer, nodig om waterstof direct om te zetten in metallisch waterstof. Dat is drie keer zo veel als het wereldrecord waterstofatomen martelen op dit moment.
Metallisch waterstof als wonderbrandstof
Raketbouwers zijn erg geïnteresseerd in dit materiaal, want de energiedichtheid van metallisch waterstof is met 216 megajoule per kilo vele malen zo groot als het verbranden van waterstof oplevert (zeker als je het gewicht van de benodigde zuurstof meerekent). Er hoeft dus veel minder brandstof meegenomen te worden: op dit moment moeten honderden kilo’s brandstof meegesleept worden om één kilo nuttige lading in de ruimte te krijgen.
Volgens sommige theorieën is metallisch waterstof metastabiel. Dat wil zeggen dat het ook bij lagere drukken en temperaturen in metallische staat blijft. Terroristen opgelet: dat maakt het ook meteen een ideale springstof. Vooral door die coole waterstofexplosie direct er na. De ETA zal stinkend jaloers zijn. Gelukkig wel makkelijk aan te tonen met een metaaldetector, dus geen paniek als u een vakantievlucht hebt gepland. Ook is metallisch waterstof milieuvriendelijk: als het op aarde ontploft komt alleen waterdamp vrij en in de ruimte bestaan de meeste rondzwervende atomen al uit waterstof.
