Metalik Hidrojen ile Uçan Araba Çağı

Bilim insanları iki elmas arasına yerleştirdikleri hidrojen gazını çok yüksek basınçta metalik hidrojene dönüştürdüler. Oda sıcaklığında süperiletken olabilen metalik hidrojen sayesinde, manyetik alanlar üstünde uçan otolar ve füzyon motorlu uzay roketleri gerçek olacak.

Jüpiter’in metalik okyanusu

Metalik hidrojen deniz seviyesinden milyarlarca kat yüksek basınçta ortaya çıkıyor ve normalde çok yanıcı bir gaz olan hidrojenin yüksek basınç altında sıkışarak önce sıvılaşması ve sonra katılaşmasıyla oluşuyor.

Bu açıdan bakarsak Güneş Sistemi’nin en büyük okyanusu Dünya’da değil, Jüpiter’de bulunuyor. Jüpiter’in içinde derinliği 40 bin km’ye erişen dev bir sıvı hidrojen okyanusu yer alıyor ve fizikçiler bu okyanusun metalik hidrojenden oluştuğunu düşünüyor (Gezegenin iç kesimlerindeki yüksek sıcaklık metalik hidrojenin sıvı kalmasını sağlıyor).

İlgili yazı: Roket Şirketi Elektrikli Uçan Araba Üretiyor

 

Metalik hidrojen neden önemli?

Metalik hidrojenin oda sıcaklığında süperiletken olma, yani elektriği hiç direnç göstermeden iletme potansiyeli bulunuyor. Harvard Üniversitesi bunu test etmek için dünyada ilk kez metalik hidrojen üretti ve gelecekte metalik hidrojenden yapılma ilk süperiletken mıknatısları üretmeyi planlıyor.

Oda sıcaklığında süperiletken olan mıknatıslar sayesinde, manyetik alanlar üzerinde uçan otolar üreteceğiz ve gelecekte geliştirilecek füzyon motorları sayesinde, ışık hızının yüzde 5’ine (saniyede 15 bin km) kadar hızlanarak Plüton’a 10-15 günde giden uzay gemileri inşa edebileceğiz.

Süperiletkenler insanlığın elektrik tüketimini azaltacak ve verimliliği artıracak. Böylece hem elektrik faturasını hem de tehlikeli iklim değişikliğine yol açan küresel ısınmayı azaltacağız. Peki metalik hidrojeni nasıl ürettik?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

İki elmas ucun arasında ezerek

Bilim insanları önce iki elmas uç aldılar ve bunları –267,65 dereceye kadar soğuttular. Dünya’da bilinen en sert madde elmas olduğu için metalik hidrojen için gereken yüksek basıncı üretmek üzere elmas kullandılar.

Yüksek basınç derken, burada deniz seviyesinden 4,5 milyon kat yüksek basınçtan söz ediyoruz ve bu bilim insanlarının inanılmaz basınç değerine erişerek metalik hidrojen üretmeleri hiç kolay olmadı. Metalik hidrojeni ancak 465 ila 495 GPa (Gigapascal) arasında üretebildiler (teoride öngörülenden 20 kat yüksek basınç altında).

Harvard Üniversitesi metalik hidrojen takım lideri Isaac F. Silvera, “Bu fizik biliminin en büyük başarılarından biri” diyor. “Dünya’da üretilen ilk metalik hidrojen örneğinden söz ediyoruz. Bir de oda sıcaklığında süperiletken olursa teknolojide devrim yaşanır.”

İlgili yazı: 5 Adımda Başka Yıldızlara Nasıl Gideriz?

 

Hidrojen metal olur mu?

Olur, ama bunu başarmak zor: Örneğin, oda sıcaklığında katı olan demir 1500 derecede eriyor. Hidrojen ise doğadaki en hafif element ve erime sıcaklığı öyle düşük ki oda sıcaklığında, hatta uzayda gaz halinde bulunuyor.

Bununla birlikte, oda sıcaklığında katı olan maddeleri eritince veya sıvı olan elementleri dondurunca bunlar yepyeni özellikler kazanıyor ve fizikte buna faz geçişi diyoruz. Metalik hidrojen de hidrojen gazının yüksek basınç ve sıcaklık altında faz geçişine uğramasıyla ortaya çıkıyor.

Elbette demiri eritmek veya suyu dondurmak marifet değil. Bunu hemen her zaman yapabiliriz. Ancak, hidrojeni sıkıştırıp metalik sıvıya dönüştürmek bugüne kadar imkansızdı. Artık bunu yaptığımıza göre, metalik hidrojenin neden oda sıcaklığında süperiletken olabileceğini görelim.

İlgili yazı: Yağmurdan Elektrik Üreten Güneş Paneli

 

Periyodik tablo

Evren’de bulunan bütün elementleri periyodik tabloda gösteriyoruz ve kimyanın temeli olan periyodik tablo iki ana kategoriye ayrılıyor: Metaller ve metal olmayan elementler. Potasyum ve lityum gibi istisnaları saymazsanız metaller genellikle diğer elementlerden daha sert ve yoğun oluyor.

Büyük kısmı oda sıcaklığında katı olan metaller ışıkta parlıyor ve elektriği çok iyi iletiyor (bakır gibi). Öte yandan, diğer elementler genelde mat oluyor ve elektriğe direnç gösteriyor (karbon içeren kauçuk ürünler ve yalıtkan kablo bantları gibi).

Oysa hidrojeni yüksek basınç altında sıkıştırırsak hidrojen atomları o kadar düzenli ve sıkı bir şekilde yan yana diziliyor ki hidrojen gazı metalik hidrojene dönüşüyor. En azında fizikçiler 1935 yılından beri böyle olması gerektiğini düşünüyordu.

İlgili yazı: Evren İçi Boş Bir Hologram mı?

 

80 yıllık hayal

80 yıl boyunca hayal kırıklığı yaşadık; çünkü hidrojen gibi elementlerin yüksek basınç altında nasıl davranacağını iyi bilmiyorduk. Örneğin, metalik hidrojen elde etmek için 20 GPa basıncın yeterli olacağını sanıyorduk; ama 23 kat yüksek basınç gerektiği ortaya çıktı.

En basitinden, Jüpiter’in binlerce km derinindeki şartlara bağlı olarak metalik hidrojenin 200GPa basınçta ortaya çıkması gerekiyordu. Ancak, laboratuar ortamında metalik hidrojen üretmek için 465GPa değere ulaşmamız gerekti. Bu yüzden Profesör Silvera metalik hidrojen oluşturmak için 45 yıl uğraştı.

İlgili yazı: NASA’nın 10 Bin Katrilyon Dolarlık Asteroit Seferi

 

Peki ne oldu?

Silvera’nın kendi değişiyle: “Hidrojen saydam olmaktan çıkıp siyaha döndü ve aniden parlamaya başladı. Tıpkı metalik siyah boyalı bir otomobil gibi. Hidrojenin nasıl yavaş yavaş metale dönüştüğünü gözlerimizle gördük.”

Normalde metaller -269 derecede süperiletken oluyor; ama iki atomdan oluşan moleküler hidrojenin tek atomlu hidrojen halinde kristalize olmasıyla meydana gelen metalik hidrojen, oda sıcaklığında süperiletken olarak davranabilir.

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük

 

Henüz süperiletkeni test etmedik

Metalik hidrojenin iki elmas arasında oluşan yüksek basınç altında ortaya çıktığını unutmayalım. Bu yüzden büyük miktarda metalik hidrojen üretemedik. Sadece metrenin 100 binde biri genişliğinde ve milyonda biri kalınlığında olan çok küçük bir hidrojen plakası üretebildik (metalik H₂).

Sıvı mı, katı mı?

Jüpiter’in derinliklerinde en az 10 bin derece sıcaklık ve 200 GPa basınçta oluşan metalik hidrojenin sıvı olduğunu düşünüyoruz.

Bununla birlikte Silvera katı hidrojen üretti. Katı metalik hidrojen oda sıcaklığında süperiletken olursa metalik hidrojenden elektronik devre üretmemiz kolaylaşacak. Bu yüzden metalik hidrojenin sıvı olmadığını kanıtlamak önem taşıyor.

İlgili yazı: Nötron Yıldızları Hakkında 5 Şaşırtıcı Gerçek

 

Odada patlamaz mı?

Metalik hidrojen çok yüksek basınçta oluşuyor; ama bu odada sıcaklığında patlayıp buharlaşacağı anlamına gelmiyor: Nasıl ki elmaslar yerin 600 km altında oluşuyor; ama Topkapı Sarayı’ndaki Kaşıkçı Elması patlamadan kalıyor, metalik hidrojenin de zararsız olacağı düşünülüyor.

Tabii bu teoriyi test etmenin en iyi yolu basıncı düşürmek ve metalik hidrojenin formunu koruyup korumadığına bakmak. Bunun ardından süperiletkenlik testleri gelecek ve her şey yolunda giderse metalik hidrojenden üretilen süperiletken mıknatıslarla uçan ilk otomobili 2045’te satışa sunmuş olacağız.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

Peki ya sıvı hidrojen?

Jüpiter’in 40 bin km derininde sıvı metalik hidrojen var ve büyük olasılıkla süperiletken olduğu için gaz devinin süper güçlü manyetik alanını üretiyor. Jüpiter’in arkasında 720 milyon km’ye ulaşan manyetik alanı o kadar güçlü ki güneş rüzgarından çaldığı radyoaktif parçacıkları gezegen çevresinde ölümcül bir radyasyon kuşağı halinde tutuyor.

En öldürücü gezegen

Güneş yüzeyine uzay gemisiyle yaklaşmayı saymazsanız Güneş Sistemi’ndeki en ölümcül yerin Jüpiter’in radyasyon kuşağı olduğunu söyleyebiliriz. Öyle ki Jüpiter’de metalik hidrojen olup olmadığını anlamak için gönderdiğimiz Juno sondası bile gezegenin yörüngesinde sadece 2 yıl çalışacak. Ardından bütün bilgisayarları yanıp kavrulacak.

Buna karşın, Jüpiter’in enerji dinamosu olan sıvı metalik hidrojen, uzayı keşfetmek için kullanacağımız en güçlü roket yakıtı olacak. Fizikçiler bu yüzden sıvı metalik hidrojenin özelliklerini araştırıyor ve Caltech’ten David Stevenson bu egzotik maddenin su gibi aktığını söylüyor:

“Su gibi akıyor, elektriği çok iyi iletiyor ve aynı zamanda ısıyı çok iyi izole ediyor. Bir yandan Jüpiter’in iç sıcaklığını korurken, diğer yandan da ışığı ayna gibi ışığı yansıtıyor. Bu nedenle Jüpiter’in sıvı hidrojen okyanusuna dalsaydınız hiçbir şey göremeyecektiniz.”

İlgili yazı: Uzay Yolcuları Filmi Ne Kadar Gerçekçi?

 

Uzayın keşfi

Tabii özel bir denizaltı ile Jüpiter’in 40 bin km derinine inip Dünya’dan 2 milyon kat yüksek basınç altında sıvı metalik hidrojen çıkaramayız. Ancak, Harvard Üniversitesi’nden Silvera ve ekibi sayesinde gelecekte sıvı metalik hidrojen üretebiliriz.

Nitekim Silvera katı metalik hidrojeni özelliklerini kaybetmeden sıvı metale dönüştürebileceğimizi umuyor. Bu durumda sıvı metalik hidrojeni roketlerde kimyasal yakıt olarak kullanabiliriz ve doğrusu nükleer motorlar kadar yüksek enerji üretir. Ancak, metalik hidrojene az miktarda antimadde katkısı da eklersek çok daha güçlü bir roket yakıtı üretmiş oluruz.

Bu tür yarı nükleer roketler, nükleer füzyon motorlarıyla birlikte Jüpiter ve Satürn gibi dış gezegenlere birkaç günde gitmemizi sağlayabilir. Kısacası metalik hidrojen Dünya’da elektrik üretimini artırıp küresel ısınmayı azaltmakla kalmayacak, aynı zamanda uzaya yerleşmemizi de kolaylaştıracak. Bu detayı Ay Üssü Alfa Ne Zaman yazısında okuyabilirsiniz.

Metalik hidrojen ve uzay roketleri

¹Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen