수소는 '가스를 금으로 바꿀' 수도 있습니다.

미국 국립점화시설(NIF) 실험실의 작은 테스트 챔버에 있는 수소 샘플이 엄청난 압력을 받고 있습니다. 압력이 너무 커서 수소 가스가 상태를 바꾸고 액체가 됩니다. 그러나 이것은 시작에 불과합니다. 압력이 점차 커지면서 작은 물방울은 일련의 변화를 겪게 됩니다.

수소는 우주에서 가장 풍부한 원소입니다. 목성과 토성 같은 가스 행성의 주요 구성 요소는 수소입니다. 그러나 행성 내부에는 수소가 기체 형태로 존재하지 않고 금속 수소로 존재합니다. 따라서 작은 수소 방울의 변화는 목성과 토성과 같은 행성에 대해 많은 것을 알려줄 수 있습니다. 동시에, 고체 금속 수소는 우주선이 더 멀리 날아갈 수 있도록 하는 연료로 사용될 수 있으며, 전류가 저항 없이 흐르게 하는 초전도체로도 사용될 수 있습니다.

다양한 상태의 단순 물질

수소는 프로튬, 중수소, 삼중수소의 세 가지 동위원소를 가지고 있습니다. 자연에 존재하는 수소의 99.985%는 세상에서 가장 단순한 원자 구조를 가지고 있습니다. a 양성자 주변에는 전자가 있습니다. 또한, 중수소의 핵은 양성자 1개와 중성자 1개로 구성되어 있으며, 자연계에서 그 함유량은 일반적으로 전체 수소원소의 7,000분의 1 정도입니다. 삼중수소의 핵은 양성자 1개와 중성자 2개로 구성되어 있으며 방사성이므로 자연계에는 거의 존재하지 않습니다. 실험실에서는 수소의 다른 네 가지 동위원소인 수소 4, 수소 5, 수소 6, 수소 7을 인공적으로 합성할 수 있습니다.

우리의 자연에서 수소는 주로 두 개의 원자가 결합하여 분자를 형성하는 수소 가스로 존재합니다. 그러나 압력과 온도가 변함에 따라 원자의 밀도와 배열이 바뀌므로 수소는 실제로 여러 상태를 갖습니다. 상압에서 온도가 -252.88°C로 떨어지면 수소는 액체가 되고, -259.125°C로 떨어지면 수소는 고체가 됩니다.

그러나 고온에서는 압력이 증가함에 따라 수소는 먼저 투명한 액체 수소로 변하고, 이때 분자는 자유롭게 흐를 수 있으며, 그 다음에는 불투명한 액체 수소로 변합니다. 액체에는 분자와 원자가 있으며 결국 분자 결합이 완전히 끊어져 원자로 구성된 액체 금속 수소 가스로 변합니다. 마지막으로 압력이 증가함에 따라 수소핵이 가지런히 배열되어 전자가 자유롭게 이동할 수 있게 되는데, 이때 고체 금속 수소 상태가 된다.

현재 연구자들은 액체 및 고체 금속수소에 초점을 맞추고 있습니다. 2018년 8월 미국 NIF 연구소 연구원들은 726.85°C 이상의 온도와 200만 기압의 압력에서 중수소를 금속 형태로 변환하는 정확한 방법을 발견했습니다. 실험실의 액체 금속 수소는 매우 불안정하지만, 이를 통해 연구자들은 액체 금속 수소가 초유체 액체인지 여부와 같은 액체 금속 수소의 일부 특성을 이해할 수 있습니다.

액체 금속 수소가 초유체 액체라면 이는 과학자들이 가스 행성의 내부 운동 패턴과 외부 자기장을 이해하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 천문학자들의 추측에 따르면 목성과 토성과 같은 가스 행성 내부에는 액체 금속 바다가 있다고 합니다. 이들 거대 행성의 80%는 순수한 가스가 아닌 액체 금속 수소로 구성되어 있습니다. 초유체 액체에서는 입자의 흐름에 어떤 저항도 발생하지 않습니다. 액체가 움직이기 시작하면 무한정 계속 움직일 수 있습니다. 이것이 바로 목성이 강한 자기장을 갖는 이유일 것입니다.

고체 금속수소를 찾아서

고체 금속수소를 만들기까지는 갈 길이 멀지만 일단 성공한다면 금속수소 연구 분야에 큰 도약을 가져올 것이다. .

고체 금속 수소에 대한 연구는 1935년 미국의 물리학자 유진 위그너(Eugene Wigner)와 힐러드 헌팅턴(Hillard Huntington)이 극도로 높은 압력에서 수소가 금속 성질을 지닌 고체로 변환될 수 있으며 원자 구조는 10이라고 예측하면서 시작됐다. 몇 배 더 컴팩트합니다. 동시에, 일단 고체 물질이 생성되면 다이아몬드처럼 상압에서도 그 상태와 금속 특성을 유지할 수 있습니다. 다이아몬드는 지구 내부의 높은 압력과 온도에서 탄소로 형성되며, 땅에서 채굴되면 흑연으로 팽창하지 않고 치밀한 원자 구조를 유지합니다.

가장 가까운 과학자가 성공을 거둔 것은 2017년이다. 미국 하버드 대학의 과학자들은 극도로 낮은 온도에서 다이아몬드 모루(두 개의 반대되는 다이아몬드와 밀봉 패드로 구성됨)를 사용하여 샘플을 놓았다. 다이아몬드와 밀봉 개스킷의 중심은 수소 샘플에 대기압의 495만 배에 달하는 압력을 가합니다(지구 핵의 압력은 대기압의 약 360배입니다). 압력이 점차 증가함에 따라 수소는 전기를 전도할 수 없는 투명한 절연체에서 검은색 반도체로 변하고 마침내 눈부신 금속 고체로 변합니다. 이때, 수소 원자 사이의 힘은 금속 결합으로 변환되고, 수소 핵 외부의 전자는 구속에서 벗어나 원자핵은 전자 그룹을 공유합니다.

안타깝게도 세계 유일의 금속수소가 불과 한 달여 만에 사라졌다. 고체 금속 수소가 생성된 후 이를 다이아몬드 모루에 보관했다가 샘플을 미국 아르곤 국립연구소로 보내기 전, 연구진은 마지막으로 압력을 테스트하기 위해 레이저를 사용하기를 원했습니다. , 다이아몬드가 부서졌고, 고체 금속 수소 샘플은 이렇게 생겼습니다. 다이아몬드 파편에 섞여 있어서 찾을 수 없습니다. 이제 과학자들은 실험을 개선하고 반복하고 있습니다.

미래 기술 혁명

오늘날 많은 로켓은 액체 수소(고체 금속을 사용하는 경우 표준 대기압 및 -253°C 온도에서 액화되어 생성됨)에 의해 구동됩니다. 연료인 수소는 연소되면 먼저 고체에서 수소로 전환됩니다. 이때 고체 금속 수소가 수소로 변하는 에너지가 방출된 다음 연소됩니다. 결과적으로 슈퍼메탈은 액체수소연료보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있다. 연구진은 고체 금속수소가 액체수소보다 3.7배 더 효율적이라고 예측했다.

현대 로켓은 장기간 우주를 여행해야 하는 경우가 많기 때문에 많은 양의 연료가 필요하며, 이로 인해 거대한 연료 탱크를 장착해야 하며 로켓의 크기도 매우 큰 경우가 많습니다. 고체 금속 수소가 성공적으로 개발되면 미래의 로켓은 더 가볍고 효율적이 되어 우주 항해의 어려움과 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

연료인 것 외에도 고체 금속 수소의 또 다른 중요한 응용 분야는 초전도체입니다. 현재의 초전도체는 매우 낮은 저항률을 유지하기 위해 액체질소를 사용하여 -269°C까지 냉각되어야 하는데, 이는 비용이 많이 들고 에너지가 필요합니다. 그러나 이론적 예측에 따르면 고체 금속 수소는 실온에서 저항률이 0인 초전도체입니다. 이는 고체 금속 수소로 만들어진 대형 초전도 코일에 녹색 에너지로부터 전기를 저장할 수 있는 기술 혁명의 길을 열 수 있습니다. 저항률이 정확히 0이기 때문에 코일을 통해 흐르는 전류는 계속 흐르지 않습니다.

고체 금속수소를 개발하고 상업적인 대량생산을 달성하는 길은 아직 멀지만 모든 신기술의 시작은 어렵다. 최근 몇 년간 이 분야의 획기적인 발전을 통해 우리는 곧 상온에서 수소 금속 블록을 볼 수 있게 될 것이라고 믿습니다.