Metallischer Wasserstoff
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Metallischer Wasserstoff ist eine Hochdruckmodifikation des Wasserstoffs. Sie entsteht, wenn Wasserstoff hohem Druck ausgesetzt wird und eine Änderung des Aggregatzustands durchläuft. Metallischer Wasserstoff besteht aus einem Gitter aus Atomkernen (Protonen) mit einem Abstand, der wesentlich kleiner ist als der Bohrsche Radius. Der Abstand ist vergleichbar mit einer Elektronen-Wellenlänge (siehe auch Materiewelle). Die Elektronen sind ungebunden und verhalten sich wie die Elektronen in einem metallischen Leiter.
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[Bearbeiten] Entdeckung
Obgleich das Periodensystem der Elemente von einer Spalte mit Alkalimetallen angeführt wird, ist Wasserstoff unter gewöhnlichen Bedingungen selbst kein Alkalimetall. Der Nobelpreisträger Eugene Wigner sagte jedoch voraus, dass sich unter extremem Druck die Wasserstoff-Atome wie die restlichen Elemente der ersten Hauptgruppe verhalten würden und ihren alleinigen Besitz über ihre Elektronen aufgeben würden.
Der erforderliche Druck machte eine experimentelle Bestätigung lange Zeit unmöglich. Im März 1996 berichtete eine Gruppe von Wissenschaftlern am Lawrence Livermore National Laboratory, dass sie unerwartet für ungefähr eine Mikrosekunde bei mehreren tausend Kelvin und Drücken von mehr als 1011 Pascal (einer Million Bar) den ersten identifizierbaren metallischen Wasserstoff hergestellt haben. Hiermit wurde eine sechzigjährige Suche beendet.
Das Lawrence-Livermore-Team hatte nicht erwartet, dass sie metallischen Wasserstoff herstellen könnten. Sie setzten keinen festen Wasserstoff für ihr Experiment ein, was als Voraussetzung für die Erzeugung von metallischem Wasserstoff angesehen wurde. Außerdem arbeiteten sie oberhalb der Temperaturen, die durch die Metallisierungs-Theorie spezifiziert waren. Weiterhin trat in vorhergehenden Studien, in denen mittels einer Diamanten-Amboss-Zelle Drücke von mehr als 2,5·1011 Pascal (2,5 Millionen Bar) erzeugt wurden, keine Metallisierung auf. Das Team suchte lediglich nach weniger extremen Veränderungen in der Leitfähigkeit.
Die Wissenschaftler waren überrascht, als bei einem Druck von fast 1,4·1011 Pascal (1,4 Millionen Bar) die elektronische Energie der Bandlücke (eine Methode zur Messung des elektrischen Widerstandes) auf annähernd Null fiel.
Die Bandlücke von Wasserstoff beträgt im unkomprimierten Zustand ca. 15 eV. Dies macht Wasserstoff zu einem Isolator, aber bei steigendem Druck fällt die Bandlücke auf ca. 0,3 eV. Da die 0,3 eV auf die thermische Energie eines Fluids zurückgeführt werden können (die Temperatur der Probe erreichte durch die Kompression ungefähr 3000 K), kann der Wasserstoff unter diesen Bedingungen als metallisch angesehen werden.
[Bearbeiten] Astrophysik
Metallischer Wasserstoff ist in gewaltigen Mengen in den durch Gravitation komprimierten Kernen von Jupiter, Saturn und einigen neuentdeckten extrasolaren Planeten enthalten. Da die früheren Vorhersagen, wann die Metallisierung auftreten sollte, noch extremere Bedingungen annahmen als mittlerweile bekannt, müssen diese Vorhersagen korrigiert werden. Es ist davon auszugehen, dass noch wesentlich größere Mengen metallischen Wasserstoffs im Inneren von Jupiter existieren als bisher vermutet, und dass dieser sich dichter unter der Oberfläche befindet. Daraus ergibt sich weiterhin, dass das magnetische Feld von Jupiter, das stärkste aller Planeten in unserem Sonnensystem, wesentlich dichter an der Oberfläche erzeugt wird.
[Bearbeiten] Anwendungen
Eine Methode für die Kernfusion besteht darin, einen Laserstrahl auf Pellets aus Wasserstoff-Isotopen zu richten. Das zunehmende Verständnis für das Verhalten von Wasserstoff unter extremen Bedingungen kann helfen, die Energieausbeute zu steigern.
Es könnte eventuell sogar möglich sein, substanzielle Mengen metallischen Wasserstoffs mit einem praktischen Nutzen zu erzeugen. Die Existenz wurde theoretisch aus einer Form abgeleitet (bezeichnet als metastabiler metallischer Wasserstoff, MSMH), die nach einer Druckverminderung nicht wieder zu normalem Wasserstoff zurückkehrt – genau wie Diamanten sich nicht wieder in normales Graphit zurückverwandeln – mit der Zugfestigkeit von Aluminium aber einem Drittel des Gewichts. MSMH könnte verwendet werden, um extrem leichte und kraftstoffsparende Autos zu bauen. Darüber hinaus würde MSMH selbst einen effizienten und sauberen Kraftstoff darstellen. Mit einer neunmal höheren Dichte als normaler Wasserstoff würde bei der Rückwandlung eine beträchtliche Menge Energie nutzbar werden. Es könnte als Treibstoff mit einer fünfmal höheren Effizienz als flüssiges H2/O2 dem derzeitigen Space Shuttle als Treibstoff dienen. Die Lawrence Livermore-Experimente produzierten jedoch zu kurz metallischen Wasserstoff, um feststellen zu können, ob Metastabilität möglich ist.
