El 'Hidrógeno Metálico' Fabricado En Laboratorio Podría Revolucionar El Combustible Para Cohetes

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Se han utilizado dos pequeños yunques de diamante para exprimir el hidrógeno a presiones suficientemente altas para producir hidrógeno metálico sólido, una forma del elemento de larga teorización.

El hidrógeno metálico, una forma extraña del elemento que conduce la electricidad incluso a bajas temperaturas, finalmente se fabricó en el laboratorio, 80 años después de que los físicos predijeran su existencia.

Los científicos lograron crear el hidrógeno esquivo y eléctricamente conductor al exprimirlo a presiones increíblemente altas entre dos diamantes ultrapuros, informaron los investigadores en un nuevo estudio.

"Nadie ha encontrado nunca hidrógeno metálico porque nunca ha existido en la Tierra antes", dijo Isaac Silvera, un físico de materia condensada en la Universidad de Harvard, a WordsSideKick.com. "Probablemente las condiciones en el universo son tales que nunca ha existido en el universo".

En teoría, es posible que el hidrógeno metálico se use como combustible para cohetes ultraligero y extremadamente potente, agregó Silvera. [Viaje espacial interestelar: 7 naves espaciales futuristas para explorar el cosmos]

Material largamente buscado

En 1935, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron que las altas presiones de alrededor de 25 gigapascales (aproximadamente 246,000 veces la presión atmosférica) podrían forzar la ruptura de los enlaces normales entre los átomos de hidrógeno sólido, liberando a los electrones para que se muevan. En términos simples, el material normalmente transparente se volvería brillante y reflectante, y tendría otras propiedades asociadas con los metales. (Técnicamente, la definición de un metal es que conduce una cantidad finita de electricidad incluso cuando lo enfrías hacia la temperatura más baja posible, cero absoluto, dijo Silvera).

Investigaciones posteriores descubrieron que la presión necesaria para esta transición era incluso mayor: presiones que probablemente se encuentran en lo más profundo del núcleo de los planetas densos.

"Ha habido docenas de artículos teóricos y todos tienen diferentes presiones críticas para cuando se convierta en metálico", dijo Silvera.

Los investigadores encontraron formas de producir presiones cada vez más altas, pero nadie pudo producir el material difícil de alcanzar.

El problema era: ¿Qué materiales en la Tierra son lo suficientemente fuertes para aplastar adecuadamente los átomos de hidrógeno?

Sin puntos de falla

Para responder a esa pregunta, los investigadores recurrieron al material más fuerte de la Tierra: los diamantes. Pero incluso los diamantes se agrietaron bajo las presiones extremadamente altas necesarias para convertir el material.

Entonces, Silvera y su investigador postdoctoral, Ranga Dias, buscaron formas de hacer que sus diamantes sean más robustos.

"Diseñamos el sistema para que todas las cosas que pueden conducir a la ruptura de un diamante no estuvieran allí", dijo Silvera a WordsSideKick.com.

Normalmente, los investigadores utilizan diamantes excavados en la Tierra, que tienen pequeñas inconsistencias en su estructura interna. El equipo decidió crear pequeños yunques a partir de diamantes sintéticos, que se pueden producir sin ninguna de estas inhomogeneidades internas.

Los científicos generalmente pulen estos diamantes con un polvo fino hecho de diamantes, pero esto "puede sacar átomos de carbono de la superficie y dejar defectos allí", dijo Silvera.

Como un rasgón inicial en un pedazo de papel que lo hace más vulnerable a rasgar todo el camino hacia abajo, estos defectos pueden ser puntos de falla donde los diamantes comienzan a agrietarse, dijo Silvera.

En cambio, los científicos utilizaron un proceso químico para grabar una capa muy delgada de la superficie sin rasparla.

Finalmente, las presiones increíblemente altas requeridas en estos experimentos a veces hacen que los átomos de hidrógeno se difundan en los diamantes, lo que también puede causar grietas. Así, el equipo cubrió los yunques de diamante con alúmina, el mismo material encontrado en el zafiro, lo que impidió la difusión.

Todo el sistema se enfrió a la temperatura del helio líquido, aproximadamente menos de 452 grados Fahrenheit (menos 269 grados Celsius), y luego los yunques de diamante exprimieron la pequeña muestra de hidrógeno sólido.

A medida que aumentaba la presión, las moléculas de hidrógeno normalmente transparentes se transformaron en un color opaco y finalmente se volvieron brillantes. Las pruebas de seguimiento confirmaron que el material era, de hecho, metálico. ¿La presión necesaria para lograr esta transición? 495 gigapascales (71.7 millones de libras por pulgada cuadrada), o más que la presión que se encuentra en el núcleo de la Tierra.

Aplicaciones asombrosas

En este momento, los científicos no saben mucho acerca de las propiedades del material. Toda la configuración experimental sigue estando bajo alta presión en el laboratorio, esperando las próximas pruebas.

"Nuestra experiencia es que una vez que se presuriza un conjunto de diamantes a presiones superiores a un millón de atmósferas, cuando se libera la presión, los diamantes se rompen", dijo Silvera.

Como tal, el equipo aún no sabe si, como sugiere la teoría, el hidrógeno metálico es estable incluso si se elimina la presión.

Si el hidrógeno metálico mantiene sus propiedades incluso después de eliminar la alta presión, es posible que se pueda usar para hacer un superconductor a temperatura ambiente, dijo Silvera. Esto podría ser útil para producir trenes de levitación magnética o máquinas de MRI que no requieren que el material se enfríe a temperaturas de helio líquido.

"También se predice que será el propulsor de cohetes más poderoso que el hombre conozca. Entonces, si uno pudiera ampliarlo y hacer grandes cantidades de él, podría revolucionar la cohetería", dijo Silvera.

Básicamente, debido a que se necesita mucha energía para aplastar el hidrógeno en su estado metálico, cuando se recombinan en su forma molecular (dos átomos de hidrógeno unidos), liberan enormes cantidades de calor. Y debido a que el hidrógeno es el elemento más liviano, sería diez veces más liviano que los propulsores de cohetes existentes.

El equipo desea realizar un seguimiento de estos resultados al comprobar si el hidrógeno metálico es estable y superconductor a temperaturas y presiones normales.

Los hallazgos fueron publicados hoy (26 de enero) en la revista Science.

Publicado originalmente en WordsSideKick.com.


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