액체 또는 고체 수소는 수백만 기압의 고압에서 전기 전도체가 됩니다. 전도성은 금속의 특성이므로 금속수소라고 합니다.
이미 1935년에 영국의 물리학자들은 특정 고전압 하에서는 모든 절연체가 전도성 금속이 될 수 있다고 예측했습니다. 그러나 인과 같은 일부 재료는 전도성 금속으로 변형되기 위해 서로 다른 압력이 필요합니다. , 전기 전도체를 얻을 수 있었지만 안정적인 금속 수소 샘플을 얻은 적이 없습니다. 소련, 일본, 미국의 몇몇 실험실에서는 수백만 기압의 초고압에서만 금속수소를 얻을 수 있었지만, 일단 정상압력이 회복되면 수소는 원래의 상태로 돌아갔다. 고압 하에서 저항이 108옴에서 102옴(소련 자료)으로, 또는 1.26×1012옴에서 102옴(일본 자료)으로 변한다는 사실에 기초하여 금속수소가 얻어졌다고 판단되었습니다.
이론적 관점에서 볼 때, 초고압에서 금속수소를 얻는 것은 실제로 가능합니다. 그러나 금속 수소 샘플을 얻으려면 과학자들의 추가 연구가 필요합니다. 금속 수소는 아직 얻어지지 않았지만 이론가들은 금속 수소가 고온 초전도체이자 고밀도, 고에너지 저장 물질이라고 추론합니다.
이미 숙달된 초전도 물질은 대부분 액체헬륨(-269°C) 냉각 상태에서 사용해야 하기 때문에 초전도 기술 발전에 한계가 있다. 금속수소의 초전도 임계온도(즉, 초전도 특성을 반영하는 최고 온도)는 -223~73°C로 액체질소 온도(-196°C)에서도 활용이 가능해지면서 초전도 현상이 크게 촉진될 것으로 보인다. 초전도 기술 개발.
금속수소는 고밀도 물질이기 때문에 이를 연료로 활용하면 로켓의 크기와 무게가 크게 줄어들어 항공우주산업에 큰 비약을 가져올 수 있다.
화학자와 달리 천문학자들은 수소와 헬륨을 제외한 모든 원소를 금속이라고 부릅니다. 고온 및 고압 조건에서 기체 수소는 전기 전도체인 금속 수소가 될 수도 있습니다. 목성을 예로 들어보겠습니다. 가장 바깥층의 두께는 기체 분자 수소 1,000km이고, 그 아래에는 액체 분자 수소 24,000km, 그 아래에는 액체 금속 수소 45,000km입니다.
금속 수소
수소는 가장 친숙한 화학 원소입니다. 상온에서는 기체이고, 저온에서는 액체가 되며, 온도가 영하 259°C까지 떨어지면 고체가 됩니다. 고체수소에 수백만 기압의 고압을 가하면 금속수소가 될 수 있다. 금속수소의 출현은 현대 초고압 기술이 만들어낸 기적입니다. 이는 현재 고압물리학 연구 분야에서 매우 활발한 주제입니다.
금속 상태의 수소에서는 수소 분자가 개별 수소 원자로 분할되어 전자가 자유롭게 이동할 수 있습니다. 금속 수소에서는 수소 분자 결합이 끊어지고 분자에 결합된 전자가 공개 전자로 압착되어 금속 수소가 전도성을 갖게 됩니다. 따라서 수소를 금속으로 만드는 열쇠는 원자의 결합에서 전자를 해방시키는 것입니다.
1936년 미국의 과학자 위너는 수소가 금속으로 변태하는 압력을 최초로 계산했고, 수소가 금속으로 변태하는 임계압력은 100만~1,000만 기압 범위에 있다고 제안했다. . 현재 세계 여러 나라에서는 다양한 방법을 통해 초고압 금속수소를 생산하고 있습니다. 상대적으로 성숙한 방법 두 가지가 있는데, 그 중 하나는 동적 압축 방법으로, 강한 자기장에서 빠른 충격 압축을 사용하여 고압을 얻어 금속 수소를 생성하는 방법입니다. 다른 하나는 정압축 방식이라고 하는데, 무게가 1,000톤이 넘는 프레스나 10층 가까이 되는 유압프레스를 이용해 100만~200만 기압의 고압을 생성하고, 액체수소를 압축해 금속수소를 생성하는 방식이다.
사람들은 왜 금속수소 개발에 그토록 많은 노력을 기울이는 걸까요? 증기기관의 탄생처럼 금속수소가 나오면 과학기술 전 분야에 획기적인 혁명을 일으킬 것이기 때문이다.
금속 수소는 플라즈마를 가두어 뜨거운 이온화 가스를 "가두기" 위한 "자기 케이지"를 만드는 데 사용할 수 있는 준안정 물질입니다. 이러한 방식으로 제어된 핵융합 반응을 통해 핵 에너지가 변환될 수 있습니다. 그리고 이 전기에너지가 값싸고 깨끗해질 것이다. '태양을 모방한 공장'이 지구에 쉽게 건설될 것이고, 인류는 마침내 에너지 문제를 해결할 것이다.
금속수소는 또 다른 상온초전도체로, 초전도 기술의 저온 '수하물'을 없앨 것이다.
초전도 물질은 저항이 없는 우수한 전도체이지만, 개발에 성공한 초전도 물질의 초전도 전이온도는 대부분 영하 250℃ 전후다. 이러한 저온 작업 조건은 초전도체의 적용을 심각하게 제한한다. 금속 수소는 이상적인 실온 초전도체이므로 많은 이점을 제공합니다.
금속수소를 이용해 전기를 전송하면 대형 변전소를 없애고 99% 이상의 전송 효율을 달성할 수 있어 전 세계 발전량을 4분의 1 이상 늘릴 수 있다. 발전기를 금속수소로 만들면 그 무게는 일반 발전기 무게의 10%도 안 되고, 출력은 수십 배, 심지어 수백 배까지 늘릴 수 있다.
금속 수소도 상당한 군사적 가치를 가지고 있습니다. 오늘날의 로켓은 액체수소를 연료로 사용하기 때문에 로켓은 저온을 보장하기 위해 커다란 보온병 같은 용기로 만들어져야 한다. 금속수소를 활용하면 로켓을 스마트하고 작게 만들 수 있다. 금속수소를 항공기술에 사용하면 속도를 크게 높일 수 있고 심지어 음속을 여러 번 초과할 수도 있습니다. 같은 질량의 금속수소의 부피는 액체수소의 1/7에 불과하기 때문에 이를 구성하는 연료전지를 자동차에 쉽게 적용할 수 있게 되면 도시는 더 이상 시끄럽고 오염되지 않으며 오염도가 심하지 않을 것이다. 지금은 깨끗하고 조용해요.
금속수소에는 일반 TNT 폭약의 30~40배에 달하는 엄청난 에너지가 저장되어 있다. 따라서 금속 수소의 핵융합 중에 방출되는 에너지는 우라늄 핵분열의 에너지보다 몇 배 더 큽니다. 금속수소의 탄생으로 인해 수소폭탄보다 몇 배나 강력한 새로운 무기가 탄생하게 될 것입니다.
1940년대부터 미국, 일본 등 세계 각국은 금속수소 개발에 많은 인력과 물적 자원을 투자해 왔다. 현재 전 세계에는 100개 이상의 고전압 실험실이 있습니다. 미국은 100만 기압을 생성할 수 있는 프레스 개발에 성공했고, 일본은 200만 기압을 생성할 수 있는 '분리구형 다단 다피스톤 복합장치' 개발에 성공했다. 최근 몇 년 동안 일본을 비롯한 여러 국가에서는 실험실에서 금속 수소를 성공적으로 개발했다고 발표했습니다. 이는 인류가 금속 수소를 사용하는 데 있어 만족스러운 단계입니다. 금속수소를 대규모 산업생산에 투입하는 데는 여전히 상당한 어려움이 있습니다. 그러나 초고압 기술, 초저온 기술, 초전도 기술, 우주 기술, 레이저, 원자력 등 20개 이상의 과학 기술 개발을 새로운 깊이로 효과적으로 추진하고 촉진했습니다. 금속수소의 대규모 생산 시대가 멀지 않았음을 예측할 수 있다.