Metallisch waterstof als raketbrandstof

Share Button

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.

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 E=1/2 m*v^2. 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 0,99c * m, 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, denken astrofysici.

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.

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

5 reacties

  1. Barry schreef:

    Ik ben het helaas niet eens met de stelling dat: Metallisch waterstof belooft de heilige graal van raketvoortstuwing zou moeten zijn want dat is niet metallisch waterstof maar de plasmamotor, de plasmamotor voor raketten bestaat al en is ook al veruit uit de kinderschoenen, ze zijn al zover met die technologie dat ze de motor alleen nog maar hoeven in te bouwen.

    verder vindt ik het wel een erg mooi artikel, ik wist niet dat metallisch waterstof zou kunnen bestaan.

  2. Germen schreef:

    De plasmamotor (ion drive?) kent inderdaad een hoge specifieke impuls maar is erg zwak. Niet zo interessant voor korte vluchten naar bijvoorbeeld de maan. Het verhaal wordt anders voor interplanetaire reizen.

    • Barry schreef:

      germen,

      ik weet niet precies of het de ion drive was, ik zag die docu op discovery en op dat moment was ik oververmoeid, ik kan me wel nog herinneren dat die motor 3 jaar aan 1 stuk door kon blijven functioneren zonder onderhoud en dat het hele motorblok veranderde in plasma en dat ze er niet teveel over konden vertellen om 2 redenen, geheimhouding en ze konden die motor niet zomaar opstarten vanwege de hitte.

      hmmm….mischien was het gewoon een verhaal Full of hot air. (alhoewel dat mij een beetje stug lijkt bij discovery science) Idd, deze motor was uitermate geschikt voor lange reizen en minder geschikt voor korte reizen, dat herinner ik me ook nog wel.

  3. A.Muller schreef:

    De ionenmotor bestaat inderdaad al.
    Het nadeel van motoren die in vacuum moeten werken (zoals in de ruimte is , dat er materiaal gebruikt moet worden naast energie  om voortstuwing te veroorzaken.
    Bij een ionenmotor wordt een gas (dat kan waterstof zijn) door hoge spanning geioniseerd en krijgen de waterstofmoleculen een enorme snelheid. De enerigie kan geleverd worden door een nucleaire reactor bijvoorbeeld.
    Daardoor is het materiaalverbruik  heel laag, omdat E=1/2MV^2, waarbij V veel groter is dan de uitstroomsnelheid van verbrandingsmotoren die met zo een 40 000KM/H wel ophoudt (de raket kan niet sneller dan de uitstroomsnelheid van zijn straal) Bij impulsmotoren kun je de waterstofmoleculen omzetten in plasma en deze vervolgens met vele megavolts versnellen tot zowat de lichtsnelheid.
    Nadeel is dat de stuwkracht niet groot is en je het niet in de buurt moet doen van leven want jew stuwt (bij waterstof) zo een beetje alfastraling uit edn dat is slecht voor iemand die in die straal komt….
    Het is wet een methode die kanshebben is om de lichtsnelheid te benaderen.
    Ik denk dat dit principe gemakkelijker (het is reeds mogelijk) is dan een motor maken met metallisch waterstof, een gram Cesium geeft beduidend meer energie af als een gram waterstofgas en ook lithium heeft een hoge energiedichtheid.
    Zelfs de SRB’s die de shuttle de ruimte in hielp bevatte  geen waterstof maar een mengsel van isocyanaat en perchloraat of heb ik nu een geheim verklapt….
    Wat ik bedoel aan te geven dat waterstof als brandstof eigenlijk niet eens de eerste keuze is maar hydrazine of zo zou zelfs voor de kijkers op grote afstand door zijn ontstellende giftigheid tot het slotevenemernt van hun leven maken….

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger