Kitoks, sunkusis vandenilis  

Jau senai atrasti sunkieji vandenilio izotopai, tačiau dėmesys jiems tik stiprėja, nes jie teikia viltį išbristi iš energetinės krizės. Tačiau kartu jie gali sukelti visos gyvybės Žemėje išnykimo grėsmę – ją žmonija pajuto jau prieš pusamžį.

1931-32 m. amerikiečių fizikas Haroldas Jurėjus su kolegomis iš vandenilio išskyrė neįprastą frakciją, turinčią didesnį atominį svorį ir tankį, o jo spektre buvo nežinomos linijos, primenančios įprasto vandenilio, tik kiek pasislinkusios. Taigi, gamtoje esančiame vandenilyje yra kelių tipų atomai, besiskiriantys savybėmis. Taip buvo atrastas deuteris, o netrukus gautas ir „sunkusis vanduo”, deuterio oksidas, - 10% tankesnis, su aukštesnėmis tirpimo ir virimo temperatūromis, sunkiau skaidomas elektros srove (kas netrukus tapo pagrindu vienam jo gavimo būdui).

Kitą sunkųjį vandenilio izotopą, tritį, po poros metų Kembridžo un-te atrado E.Rezerfordas, M. Olifantas1) ir P. Hartekas2) bombarduodami deuterio branduoliais deuterio turinčias medžiagas. Taip pirmąkart atlikta branduolinė sintezė – vieni atomų branduoliai paversti kitais. Tik pasirodė, kad tritis stipriai radioaktyvus (skilimo pusperiodis – 12,32 m.) ir todėl gamtoje jo dideli kiekiai nesikaupia.
Pavadinimai izotopams duoti dar iki tričio atradimo – 1933 m. H. Jurėjus, D. Merfis3) ir F. Brikvedė4) juos pasiūlė „The Journal of Chemical Physics“ redaktoriui (A Name and Symbol for H2) – jie kilę iš graikiškų žodžių: „protos“ (pirmas; įprastinio vandenilio izotopas yra protis), „deuteros“ (antras), „tritos“ (trečias)... Vėliau gauti ir tolimesni vandenilio izotopai (iki pat 7H), tačiau jie ypač trumpalaikiai (skilimo pusperiodis 10-22-10-23) sek.
Vandeniline bomba Sarovo muziejuje Vandenilinės bombos maketas
Branduolinių ginklų muziejus Sarove

Vis tik kiek gi sunkiojo vandenilio izotopų yra gamtoje? Deuterio gana nemažai – apie 0,016% lyginant su pročiu; taigi, jo atsargos praktiškai neišsemiamos, o didžiausi kiekiai yra vandenynuose, kur ir jo koncentracija didesnė (jo daugiau nei fluoro ar jodo). O mažiausia koncentracija – Antarktidos ledynuose. Tuo tarpu tričio šimtais milijonų kartų mažiau. Natūraliai jis susidaro kosminiams spinduliams veikiant azoto ir deguonies atomus viršutiniuose atmosferos sluoksniuose – tad jo daugiausia krituliuose: lietaus vandenyje ir snaigėse. Visoje Žemėje natūraliai jo yra apie 7 kg. 20 a. antroje pusėje tričio buvo pagausėję bent kelis kartus dėl intensyvių termobranduolinio ginklo bandymų (vienos tokios bombos sprogimo metu į aplinką patenka apie 2 kg tričio) – ir atmosferoje jo susikaupė šimtai kilogramų. Dabar dar liko dešimtys kilogramų. Kitas tričio šaltinis – atominės elektrinės, kasmet pagaminčios kelis kilogramus, iš kurių į aplinką patenka apie septintadalis. Jis yra labai pavojingas – o juk didžioji tričio dalis perdirbant radioaktyvias atliekas patenka į atmosferą arba atsiduria vandenynuose. Ir tričio turinčių atliekų tvarkymas iki šiol neišspręstas.

Pradžioje deuterį gaudavo elektrolizės būdu, kas reikalavo didelių elektros sąnaudų. Dabar pramoniniu būdu įsisavinti tokie metodai kaip skysto vandenilio rektifikacija*), bitemperatūrinis sieros vandenilio metodas ir cheminio apsikeitimo „vanduo-vandenilis“ metodas. Dėl radioaktyvumo, tričio gavimui taikytini tik tie metodai, kuriuose vandenilis yra molekuliniame pavidale – ir jis gali būti gautas tik reaktoriuose, neutronais apšvitinant vieną iš ličio izotopų (6Li).

TSRS tričio gamyba buvo antros svarbos uždavinys po atominės bombos. Tai buvo pavesta MTI-9 (dabar A. Bočvaro vardo VNIINM), kurio darbuotojai sukūrė tričio gamybą iki šiol veikiančią Oziorsko miesto gamybiniame susivienijame „Majakas“. O daugiausia deuterio TSRS buvo gauta rektifikacijos metodu. Jo gamyba buvo paskirstyta po visą šalį atsižvelgiant į elektros resursus ir galimybę panaudoti paprastą vandenilį (pvz., azoto trąšų gamyklose). Viena stambiausių deuterio gamyklų veikė Čirčike. Ne taip paplitęs sieros vandenilio „sunkiojo vandens“ gamybos metodas, įdiegtas Aleksino mieste. Šiuo metu Rusijoje „sunkųjį vandenį“ ir deuterį gamina tik įmonė Gatčine – ir tai tik iš sukauptų atsargų. Istoriškai didelį kiekį deuterio pradėjo gaminti Norvegija (jos baržą, gabenančią deuterį į Vokietiją, karo metu paskandino). Šiuo metu daugiausia deuterio pagamina Indija, Kinija ir Iranas, aktyviai vystantys šią kryptį.

Kur gi naudoja tritį ir deuterį? Na žinoma, pirmiausia jie panaudoti griovimo ir naikinimo priemonėms. „Šaltojo karo” metais bauginančia grėsme buvo vandenilinė bomba. Tačiau kur glūdi sunkiųjų vandenilio izotopų nepaprasta galia? Ji energetiniame deuterio ir tričio branduolių susiliejimo aukštame energetiniame lygyje esant mažam energetiniam barjerui, kurį reikia įveikti, kad branduoliai susilietų. Termobranduolinės reakcijos pradžiai panaudojus įprastą urano ar plutonio užtaisą, jo energiją galima padidinti 600 ir daugiau kartų. Be to, deuteris su tričiu pilniau sudega ir nepalieka radioaktyvių produktų. Tai suteikė perspektyvas ir taikiam šio ginklo panaudojimui – įrengiant požemines dujų saugyklas, gesinant naftos gręžinių gaisrus, greitai „iškasant“ dideles duobes ir pan.

Bombos sprogimas Rekordininke tapo rusų AH602 bomba, išbandyta 1961 m. spalio 30 d. Naujosios žemės archipelago „Sausosios nosies“ poligone. Ji lengva N. Chuščiovo ranka į istoriją ji įėjo kaip „Kuzkino motina“, be to dar dažnai vadinama ir „Car-bomba“. Ją sukūrė I. Kurčiatovas, o jos galia atitiko 58,6 megatonas trotilo.

Rusijoje pagrindiniu tričio vartotoju yra N.L. Duchovo vardo VNIIA įmonė (Maskvoje), gaminanti neutroninius generatorius (juose deuterio branduoliais trankoma tričio turinti medžiaga gaunant neutronus, kurių energija pastovi – 14,1 MeV). Jie panaudojami visur, kur reikia kompaktiškų autonominių neutronų šaltinių. Pvz., juos gręžinių patikrinimui naudoja geologai; jis įrengtas netgi marsaeigyje „Curiosity“ Rusijoje sukurtame DAN prietaise, skirtame vandenilio ir vandens kiekio matavimui.

Kadangi tritis spinduliuoja minkštą beta spinduliavimą, leidžia jį panaudoti radioizotopiniuose šviesos ir elektros šaltiniuose. Daugelyje elektroninių laikrodžių ir prietaisuose su švytinčiomis strėlytėmis panaudoti liuminoforai, kuriuos aktyvina tritis. Šautuvo taikiklio pašvietimas gerokai padidina taiklumą šaudant naktį. O įvedus sankcijas, „Roskosmos“ užsakymu vadovaujant „Solar-Si“ aktyviai kuriama „tričio baterija“, kad pakeistų importuojamas beta- voltažinius energijos šaltinius (pastaba: rašoma 2018 m. vasaros pabaigoje).

Daugiausia deuterio sunaudoja branduolinė energetika. „Sunkusis vanduo“ – vienas puikiausių neutronų lėtintojų, tiek efektyvus, kad leidžia „įžiebti“ branduolių skilimą net natūraliai praturtintame U-235. Jis leidžia padidinti ir branduolinio kuro sunaudojimo efektyvumą. Šiuo keliu nuėjo Kanada, kurianti CANDU reaktorius.

Tiek deuteris, tiek tritis aktyviai naudojami junginių pažymėjimui – tuo labiausiai domisi biologai ir medikai, tiriantys biocheminius procesus (Rusijoje tuo užsiima Molekulinės genetikos inst-tas).

Vis tik labiausia viliojanti svajonė – sukurti valdomą termobranduolinę reakciją ir gauti praktiškai neribotą energijos šaltinį. Deja, tai be galo sudėtinga – ir nors ta kryptimi dirbama ilgiau neu pusamžis, mažai pasistūmėta. Su viltimi žiūrima į ITER reaktorių Prancūzijos pietuose esančiame Kadaraše.

Lengvasis vanduo, tačiau sunkus atvejis

Dar reiktų paminėti ir „lengvąjį vandenį“. Gamtoje deuterio kiekis vandenyje svyruoja 100-170 m.d. (milijoninių dalių) ribose – su vidurkiu 156 m.d. (priklausomai nuo vietos ir metų). Ir todėl jo kiekį galima panaudoti matavimuose – pvz., vynininkai pagal deuterio kiekį nustato vynuogių augimo vietą ir metus.

Galima dirbtinai sumažinti deuterio dalį vandenyje – ir toks vanduo vadinamas „lengvuoju“. Ir verslininkai ėmėsi šios srities verslo – siūlomas „premium“ vanduo su sumažintu deuterio kiekiu (50-200 m.d.). Jį pastoviai geriant deuterio dalį kūne galima nežymiai sumažinti. 0,5 l butelio kaina Rusijoje yra 2-10 dolerių („Langvey“, „Aisberg“ ir kt.). Tad ar duoda naudą (ar žalą) „lengvasis vanduo“?

Sunku pasakyti... Pagal citavimo kiekį svarbiausiu straipsniu laikomas T. Strekalovos ir kt. žurnale „Behavioral Brain Research“ (2015 m. ) – „Deuterium content of water increases depression susceptibility“ – apie tai, kad deuterio pasiskirstymas geografiškai koreliuoja su depresijos lygiu. Deja, koreliuoja silpnai (o ir atrasti koreliaciją nesunku ten, kur nėra priežastinio-pasekminio ryšio). O daugelis straipsnių apie „lengvojo naudą“ kažkaip susiję su „lengvojo vandens“ gamintojais.

Gal šio straipsnio pastabėlė pristabdys jūsų entuziazmą išgirdus apie naują „stebuklingą“ priemonę, „lengvą vandenį“...


Metalinis vandenilis   

Tarybinių mokslininkų grupė 1975 m. vasario 5 d. paskelbė, kad jiems pavyko gauti metalinį vandenilį.

Iš tikro, dar 1935 m. E. Vigneris ir H.B. Hantingtonas nuspėjo vandenilio virsmą į metalinę būseną veikiant aukštam slėgiui. Intensyvūs bandymai jį gauti vyko 20 a. 8-me dešimtm., bet nors ir pasiekta galimų jo gavimo požymių, užtikrintumo, kad jis buvo gautas, dar nebėra. 1996 m. Lawrence laboratorijos mokslininkai paskelbė jį gavę smūginės bangos pagalba. 2015 m. „Science“ paskelbtas straipsnis apie Sandia laboratorijų (JAV) ir Rostoko un-to (Vokietija) mokslininkų atliktą skysto deuterio suspaudimą naudojant Z-mašiną iki būsenos, kurioje pasireikia metalo savybės.

Kai talentingas buhalteris-tekintojas-astronomas Fridrichas Vilhelmas Beselis 1842 m., remdamasi 4-ių tada žinomų Jupiterio palydovų judėjimo ypatumais, nustatė šios planetos masę, astronomų nuomonė apie Jupiterį turėjo pasikeisti. 1318 k. už Žemę didesnis, jis už ją ik 388 k. sunkesnis, taigi jo tankis 4 k. mažesnis už Žemės ir vos 1,33 k – už vandens tankį. Jupiterio atmosferoje atradus didelius kiekius vandenilio ir jo junginių – amoniako ir metano – o taip pat helio, paaiškėjo, kad toji planeta labiau panaši į žvaigždę.

Vėliau paaiškėjo, kad 80% planetos masės sudaro vandenilis, apie 20% - helis ir tik mažą dalį sunkesni elementai – azotas, anglis ir kt. Jupiteryje nėra silikatų ir kitų „žemiškų“ junginių. Tokia neįprasta sudėtis ilgokai trukdė įsivaizduoti Jupiterio gelmių sandarą; ir tik 1948 m. S. Ramzėjui įrodžius, kad Jupiteris gali būti sudarytas vien iš vandenilio, susidarė šiandien labiausiai paplitęs jo modelis.

Jupiterio skersmuo per pusiaują yra 142,6 tūkst. km. Išorinis 10 tūkst. km sluoksnis yra vandenilio atmosfera, kurioje plauko ir Žemės matomi debesys. Ji paviršių slegia 200 tūkst. barų (1 atmosfera = 1,013 baro) slėgiu, tad galima sakyti, kad nėra griežtos ribos tarp atmosferos ir 60 tūkst. km gylio skysto vandenilio vandenynu. Po juo slypi metalinis vandenilio ir helio branduolys, kuriame slėgis siekia dešimtis ar šimtus milijonų barų, o temperatūra – kelis tūkstančius laipsnių.

Kietas molekulinis vandenilis žinomas nuo 19 a. pabaigos. Jo molekulinio kristalo kampuose yra vandenilio molekulės; jis labai lengvas – tankis tik 0,09 g/cm3, labai nepatvarus ir lydosi žemoje temperatūroje (15oK). Tai tipiškas dialektrikas, nes elektronai jo molekulėse tvirtai surišti su branduoliais. Tačiau minėtame Jupiterio modelyje branduolys turėtų būti sudarytas iš atominio vandenilio, pasižyminčio visomis metalų savybėmis. Vandenilio spaudimas

Įvairių autorių darbai rodė, kad toks pokytis turėtų įvykti 0,8-10 mln. barų slėgyje. Teoriškai nustatytos tokios medžiagos savybės. Skirtingai nuo metalų, pasižyminčių izotropija, metalinis vandenilis turi anizotropinę gardelę, t.y. jo savybės įvairiomis kryptimis nevienodos. Jis 7 k. tankesnis už kietą molekulinį vandenilį, bet lengvesnis už vandenį. Jis ne tik geras laidininkas, bet, spėta, ir superlaidus esant pakankamai aukštoms, artimoms kambario temperatūroms.

Jo sukūrimui Žemės sąlygomis buvo pasiūlyti du būdai. Pirmasis yra gauti reikiamą slėgimą sprogimu, bet jis turi daug trūkumų, neišsaugo gauto produkto, nes didelė dalis energijos virsta šiluma ir vandenilio kristalas paprasčiausiai turėtų išgaruoti. Buvo pasiūlyta įvairių patobulinimų, tačiau nė vienas negarantavo sėkmės.

Kitas būdas – sukurti presą, atlaikantį tokius slėgius. Normalios konstrukcinės medžiagos (pvz., plienai) „teka“ į visus plyšelius kaip mažai klampus skystis esant gerokai mažesniam slėgiui. Vis tik buvo pasirinktas šis būdas. Įrenginių kūrimas vienu metu vyko TSRS ir JAV. Aukštų slėgių fizikos institute Pamaskvėje buvo išbandytas įrenginys, kuriuo buvo galima sukurti 3 mln. barų slėgį. Jis buvo sumontuotas atskirame laboratoriniame korpuse ant 28 m storio betoninio pagrindo, be kurio, presui veikiant, aplink būtų jaučiamas 2-3 balų žemės drebėjimas.

Po kelių bandymų su neorganinėmis medžiagomis, buvo imtasi vandenilio, jo dulos buvo kondensuojamos ant deimantinių priekalų, atšaldytų iki 4,2oK. Kondensuojamo sluoksnio storis buvo reguliuojamas dujų kiekiu, po to suspaudžiamas. Nustatymui, ar vandenilis virto metaliniu, buvo matuojama varža.

Sukondensavus gana storus vandenilio sluoksnius ir juos suslėgus iki 3 megabarų, nebuvo pastebėta varžos pokyčių. Tai liudijo, kad vandenilis neišteka iš kameros, bet ir metaliniu nevirsta. Slegiant santykinai plonus vandenilio kondensato sluoksnius, jo varža staiga sumažėdavo bent milijonu kartų. Tačiau to nepakako. Reikėjo, kad sumažinus slėgį arba „atšildžius“ medžiagą, varža atsistatytų.

Tam reikėjo naujo eksperimento. Slėgis buvo mažinamas tol, kol medžiagos varža imdavo didėti. Tada, palaikant pastovų slėgį, buvo keliama kameros temperatūra – ir jai pasiekus 15-17oK, medžiagos varža šuoliu padidėdavo milijoną kartų. Tie reiškiniai vyko 1 megabaro slėgyje, kas apytikriai atitiko teorines prognozes. Tada ir buvo paskelbta, kad atrastas metalinis vandenilis.


Paaiškinimai ir biografijos

*) Rektifikacija – skysčių, besiskiriančių virimo temperatūromis, išskyrimas daugkartiniu garinimu ir kondensavimu. Suskystintų dujų rektifikaciją atlieka žemose temperatūrose ir su slėgiu.

1) Markas Olifantas (Marcus Laurence Elwin "Mark" Oliphant, 1901-2000) - australų fizikas ir humanitaras. Vienas tričio atradėjų (1934). Jo tyrinėjimai buvo svarbūs kuriant JAV ir Britanijos branduolinį ginklą. 1927 m. atvyko į Kembridžą darbui Kavendišo laboratorijoje, dirbo pas E. Rezerfordą projektuodamas el. dalelių greitintuvus. 1943 m. suformulavo ciklinio greitintuvo, vėliau pavadinto sinchrotronu, darbo principą. 1945-50 m. tęsė darbą Birmingemo un-te, - ir po Hirosimos tapo viešu branduolinio ginklo priešininku. 1950 m. persikėlė į Australiją, kur sukonstravo kolosalų unipoliarinį generatorių relsotronui. 1954-57 m. įkūrė ir vadovavo Australijos MA. 1967 m. paliko akademinę veiklą dėl politikos; 1971-76 m. buvo Pietų Australijos gubernatoriumi.

2) Paulis Hartekas (Paul Karl Maria Harteck, 1902-1985) – austrų fizikas-chemikas. 1933 m. atvyko dirbti su E. Rezerfordu – ir ten atrado tritį. 1934 m. grįžo į Vokietiją ir nuo 1937 m. Sausumos pajėgų patarėjas, padarė pranešimą apie galimybę grandininę reakciją panaudoti karo tikslams, vėliau ypatingą dėmesį skyrė urano izatopų atskyrimui. 1951 m. emigravo į JAV, kur užsiėmė dėstymu un-te.

3) Džordžas Merfis (George Moseley Murphy, 1903-1968) – amerikiečių chemikas ir pedagogas. 1932- 36 m. dirbo instruktoriumi Kolumbijos un-te, kur vykdė bandymus su skysto vandenilio distiliavimo ir atrado deuterį. 1946 m. pradėjo dirbti Niujorko un-te, 1968 m. tapdamas profesoriumi.
Domėjimasis matematiniais chemijos aspektais leido jam karo etais išleisti „Fizikos ir chemijos matematiką“ (kartu su H. Margenau). Jis taip pat prisidėjo rengiant chemijos žodynus ir parengė veikalą apie urano izotopų atskyrimą. Vėliau parašė trumpus prisiminimus apie deuterio atradimą (Isotopic and Cosmic Chemistry, 1964, no.1).

4) Ferdinandas Brikvedė (Ferdinand Graft Brickwedde, 1903-1989) – JAV Nacionalinio standartų biuro fizikas. 1931 m. pagamino pirmą vandenilio pavyzdį, kuriame galėjo būti stebimas sunkiojo vandenilio izotopo spektras. Tai buvo svarbus žingsnis link deuterio atradimo. Po karo dirbo dekanu koledže, vėliau profesorius emeritas.

Triukšmai
Geodinamika
Garo tramdytojas
Robotų iškilimas
Greičiau už šviesą!
Kodėl dangus žydras?
Šaltoji branduolių sintezė
Antigravitacijos paieškos
Žygiuojam į Saulės amžių
Pasikėsinimas į multivisatas
Kvantinio pasaulio katinai
Galvaninės teorijos pradžia
8 alternatyvūs energijos šaltiniai
Lemtingasis Rentgeno atradimas
El. dalelių simetrija persmelkia viską
Labai prasta balerina ir šuolis laike?
Šiuolaikinė fizika – į tiesą panašus mitas?
Paslaptingas Tesla: gyvenimas ir palikimas
Degtukai – trumpas, bet svarbus gyvenimas
Amžinas judėjimas laiko kristaluose
Celuloidas – plastmasių prosenelis
Labai suderinta Visatos sandara
21 a. mokslo idėjos ir švietimas
Kur viešpatauja chaosas?
Hadronų koliderio kūrėjas
Tiltas per Beringo sąsiaurį
Vieningo lauko teorija
Ugnies ekologija
Metro etalonas
Kvantinis chaosas
Laivai iš ledo
NSO.LT
Vartiklis