新能源、超導體——金屬氫
能源是當代文明的三大支柱(材料、能源、信息)之一。能源的家族可大極了,目前被廣泛利用的能源有煤、石油、天然氣、水能和核電,它們稱為能源工業的五大支柱。應用不久的原子核能以及今後很有發展前途的太陽能、氫能、地熱能稱為新能源。
有人推算過,再過一百年左右,地球上的煤、石油、天然氣等能源差不多就用完了。怎樣開發和利用新的能源?化學家們認為一旦人工模擬光合作用獲得成功,人們就可以利用太陽能在工廠裏製造糧食、纖維和木材等。關鍵的問題是把太陽能轉化成化學能。美國化學家卡爾文估計,在十年以內將出現可以模擬綠色植物光合作用的人造薄膜,它會成為一種重要能源。
利用太陽能和水製取氫氣的技術一旦突破,氫氣將作為一種比核聚變更優越的能源。這樣,多年來人們夢寐以求的水中取火的幻想將成為現實。氫氣作為新型能源具有資源豐富、放熱量高、無汙染等優點,可廣泛地用來製造低公害的氫氣車。氫氣是一種非常危險的氣體,弄不好要發生爆炸。怎樣把氫氣安全地裝在汽車裏呢?化學家們經過反複的研究、試驗,發現鐵和鈦的合金能夠吸附大量的氫氣,在使用的時侯再慢慢地把氫氣釋放出來。如果要把氫氣變成類似環境金屬的固體,那麼在使用時就更方便了。但是氫有金屬態嗎?氫能成為金屬嗎?回答這個問題還得從頭說起。
1926年英國物理學家貝納爾曾說過:隻要有足夠的壓強,任何元素都能變成金屬。在這個大膽預言的提示下,人們首先想到的是氫的“金屬化”問題,根據元素周期表中位置——結構——性質結合的規律,氫出現金屬態是最有可能的。於是人們產生了以下設想:如果把氫氣置於－260℃和250～260萬大氣壓下,理論上是能得到金屬氫的,原因是分子晶體的固態氫,原子間距離較大,電子以電子雲的形式被束縛在氫原子核附近運動,當在超高壓情況下,原子間距離縮小,共價鍵斷裂,原被束縛的電子被擠壓成為自由電子,於是固態氫就由分子晶體變為金屬晶體了。直到本世紀70年代末,高壓技術達到前所未有水平時,這個預言和設想,終於在實驗室得以實現,從而金屬家族中出現了一個驕子——金屬氫。目前,金屬氫在世界上不少高壓實驗到裏可看到,其實驗的過程大致是:把高純度的氫氣通入一個超高壓裝置裏,在－268.8℃時,壓砧上便凝結一層固體氫,然後增壓至100萬大氣壓,發現固體氫的電阻率突然降到原來的百萬之一,表明此時氫已由絕緣體成為導電的金屬,即使以後再減小壓強,金屬氫仍穩定保持金屬狀態。
金屬氫有許多與眾不同的奇異特性,具有廣闊的應用前景。
第一,它是一種在室溫下的超導材料,如應用在輸電、配電和電機上將引起電力工業的一場革命。因其電阻接近於零,可實現無耗遠距離輸電,超導電機的輸出容量將是目前最大電機的10～20倍。用金屬氫輸電可取消大型變電站,而輸電效率在99.7%以上,可使全世界發電量增加20%以上。金屬氫超導強磁體還可用於高能加速器、變控熱核反應裝置和高速磁懸浮列車。
第二,金屬氫有高密度、高儲能的特性,可作高密度高儲能燃料,其儲能密度是TNT炸藥的30～40倍,是理想的火箭推進劑。金屬氫製成的氫彈體積小威力大,也可使受控熱核聚變和激光核聚變反應堆體積微型化。金屬氫聚變時釋放的能量要比鈾核聚變大好幾倍,這將會產生比氫彈威力更大的武器。
氫是宇宙物質中含量最多的元素,又是地球上存在較普遍的元素,隨著科學技術的飛速發展,工業上大量產生並使用氫的時代很快就要到來。