Czy wodór niszczy metale?

W latach osiemdziesiątych Michael Knight był jednym z niewielu ludzi poruszających się samochodem napędzanym wodorem (a to było w telewizji). Dziesiątki lat później ten autobus na ogniwa paliwowe przygotowuje się do jazdy demonstracyjnej, jakby to nic wielkiego. Chcesz dowiedzieć się więcej? Sprawdź te zdjęcia pojazdów napędzanych paliwami alternatywnymi! AP Photo / Bob Child

Na długo przed tym, zanim David Hasselhoff zmarszczył mięśnie klatki piersiowej na plażach „Słonecznego patrolu”, wystąpił w programie telewizyjnym „Knight Rider”, hicie akcji z udziałem supersamochodu o nazwie KITT. Błyskotliwe auto było tak fajne i tak potężne (jaki szanujący się nastoletni mężczyzna nie chciał siedzieć za kierownicą?), Że nasz kędzierzawy bohater z łatwością ścigał złoczyńców po całym mieście na zdumiewającej odległości 300 mil (483 kilometrów) na godzina. Cholera, samochód nawet mówił jak troskliwy dziadek.

Co dało KITTowi niesamowitą moc? Samochód był wyposażony w silnik napędzany wodorem, który pozwolił Michaelowi Knight (Hasselhoff) nękać najbardziej nikczemnych złoczyńców telewizyjnych wczesnych lat 80..

Ponad dziesięć lat po tym, jak oryginalny serial rozbił się i spłonął w rankingach, politycy, dziennikarze i inni zaczęli reklamować wodór jako energię przyszłości, alternatywę dla paliw kopalnych, takich jak węgiel. Powiedzieli, że wodór jest magicznym eliksirem, który zaspokoi wszystkie nasze potrzeby transportowe i elektryczne. W końcu wodór był obfity i spalany w czystości, co teoretycznie pomogłoby w ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych. W rzeczywistości w 2003 roku nikt inny jak prezydent USA George W. Bush, który zbił fortunę na branży naftowej, ogłosił, że przeznacza 1,2 miliarda dolarów na próbę uczynienia wodoru paliwem wybieranym przez Amerykanów [źródło: CNN].

Kto mógł go winić? Wodór to wspaniałe źródło paliwa. Heck, to zasila słońce. Co więcej, wodoru nigdy nie zabraknie. Jest w naszym powietrzu i wodzie. Wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem we wszechświecie (choć nie na Ziemi).

Ale zanim zainwestujesz w pojazd napędzany wodorem, zastanów się: Rdza nigdy nie śpi, podobnie jak wodór. Pierwiastek sprawia, że ​​metal staje się kruchy, zmniejsza jego wytrzymałość i może osłabiać samochód jak termit poprzez drewno [źródło: Science Daily]. Tak, niedobrze.

Wodór, który zajmuje pierwsze miejsce w układzie okresowym pierwiastków. Chcesz zobaczyć większą wersję? Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą, bardziej szczegółową wersję układu okresowego. Otworzy się w osobnym oknie, dzięki czemu będzie można przełączać się między artykułem a tabelą. ©

Cofnijmy się w czasie do roku 1520. W Szwajcarii alchemik Philippus Aureolus Paracelsus włożył kawałek żelaza do roztworu kwasu siarkowego. Kwas zaczyna bąbelkować w „powietrzu, które tryska jak wiatr”. Chociaż Paracelsus wtedy o tym nie wiedział, tym wiatrem bąbelkowym okazał się wodór. Element nr 1 został oficjalnie nazwany pod koniec XVIII wieku przez Antoine-Laurenta Lavoisiera, francuskiego arystokratę, który parał się nauką i ostatecznie stracił głowę podczas Rewolucji Francuskiej [źródła: ASME, dziedzictwo chemiczne].

Naukowcy i wynalazcy szybko odkryli, że wodór Lavoisiera był najlżejszym pierwiastkiem we wszechświecie. Chociaż może się to okazać cudowne do napełniania balonów, nie było tak niesamowite, jeśli chodzi o interakcje między wodorem a metalem. W rzeczywistości atomy wodoru mają niesamowitą zdolność przenikania przez różne metale, krusząc je, ostatecznie pękając, rozrywając i niszcząc [źródło: Science Daily].

Chociaż naukowcy badają te zjawiska od 1875 roku, nie rozumieją w pełni fizyki problemu. Wiedzą, że atomy wodoru łatwo dyfundują lub rozprzestrzeniają się w metalach, zwłaszcza w wysokich temperaturach. Atomy rekombinują ze sobą, tworząc cząsteczki wodoru. Te cząsteczki znajdują dom w mikroskopijnych zakamarkach metalu, wytwarzając ogromne ciśnienie. To ciśnienie zmniejsza wytrzymałość metalu na rozciąganie. Pęknięcie! Metal pęka [źródło: McGill University].

Badacze nie są w stanie przewidzieć, gdzie nastąpi kruchość wodorowa. Wiedzą tylko, że malutki atom wodoru uwielbia przenikać i pochłaniać większość stopów o wysokiej wytrzymałości, w tym stali i tych na bazie niklu. Mogą nawet obserwować, jak to się dzieje podczas symulacji komputerowych [źródło: McGill University]. Nasilenie kruchości zależy od rodzaju stopu i temperatury [źródło: Gray].

Kruchość wodoru stała się zmorą takich rzeczy, jak lotniskowce, pancerniki, samoloty, statki kosmiczne i reaktory jądrowe. Czasami konsekwencje były śmiertelne. W 1985 roku żołnierz zginął w Wielkiej Brytanii, gdy zawiodły śruby w amerykańskiej armacie samobieżnej 155 mm. Śruby przytrzymywały kolektor, który unosił i opuszczał pistolet. Śruby pękły, przyszpilając żołnierza pod kolektor. Badacze zarzucili kruchość wodorową. Gaz sprawiał, że zamki były tak delikatne, że nie mogły wytrzymać silnych wstrząsów wystrzeliwanych dział. W 1984 r. Śruby (również do mocowania pistoletu) na czołgu M1 Abrams również pękły [źródło: Anderson].

Naukowcy gorączkowo starają się przewidzieć, jak, kiedy i gdzie nastąpi kruchość wodorowa. Martwi się tym m.in. przemysł samochodowy. Jak zapewne wiesz, pojazdy napędzane wodorem czerpią energię z urządzenia zwanego a ogniwo paliwowe. Ogniwa paliwowe umożliwiają łączenie się wodoru z tlenem w celu wytwarzania ciepła i elektryczności. Jedynymi produktami ubocznymi są ciepło i woda [źródło: National Renewable Energy Laboratory].

Atomy wodoru mogą wwiercać się w metal podczas procesu produkcyjnego, na przykład gdy robotnicy wykonują chromowane części samochodowe, spajają części razem lub gdy metal jest frezowany lub prasowany. Infiltracja wodoru może również wystąpić podczas jazdy samochodem po drodze. Atomy nasycają metal, przedostając się do zbiorników paliwa i innych składników. W rezultacie części samochodowe, takie jak zbiorniki paliwa, ogniwa paliwowe i łożyska kulkowe, mogą ulec awarii bez ostrzeżenia. Wynik? Kosztowne rachunki za naprawy - i jeszcze gorzej [źródło: Science Daily].

Nie odrzucaj jeszcze pomysłu na samochód na wodór. Naukowcy z Niemiec badali, w jaki sposób atomy wodoru poruszają się przez metal. Śledząc trasę atomów, mają nadzieję opracować odporne na kruchość materiały, które można będzie wykorzystać w samochodach napędzanych wodorem. Naukowcy badają również sposoby na zatrzymanie procesu kruchości poprzez ciągłe podgrzewanie atomów wodoru, które są zawsze w ruchu [źródło: Science Daily].

Dzięki lepszemu zrozumieniu, w jaki sposób atomy wodoru prowadzą swoją destrukcyjną działalność, naukowcy i inżynierowie są przekonani, że będą w stanie wytwarzać pokładowe zbiorniki paliwa i inne części, które nie ulegną degradacji w czasie [źródło: Azom.com]. Zanim się zorientujesz, wszyscy będziemy jeździć samochodami wodorowymi.

Uwaga autora: Czy wodór niszczy metal?

Dopóki nie zacząłem badać tego artykułu, nie miałem pojęcia, że ​​wodór, pierwiastek występujący w największej ilości we wszechświecie, jest tak destrukcyjny. Jasne, znałem podstawy, dlaczego mój ukochany Ford Ranger z 1993 roku zaczął rdzewieć - tlen połączony z żelazem tworzył tlenek żelaza i zanim się zorientowałem, skrobałem, gruntowałem i malowałem. Myślę, że nie powinienem być zdziwiony, wiedząc, że wodór równie łatwo zjada metal. Kruchość wodoru to poważna sprawa, zwłaszcza gdy wodór jest kluczowym elementem w zaspokajaniu naszych potrzeb paliwowych i pomaganiu planecie. Miejmy nadzieję, że naukowcy będą w stanie znaleźć opłacalne rozwiązanie problemu.

Powiązane artykuły

• Czy wodór może być paliwem przyszłości??
• Jakie są zalety pojazdów napędzanych wodorem?
• Quiz Corner: Fuel Cell Quiz
• Jak działają ogniwa paliwowe
• Jak działa gospodarka wodorowa
• Jak działają samochody napędzane wodorem

Źródła

• Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Mechaników (ASME). „Silnik rakietowy RL10”. (14 stycznia 2013) http://files.asme.org/asmeorg/communities/history/landmarks/5636.pdf
• Anderson, Jack. „Żołnierz ginie, gdy uszkodzona jest broń”. Ocala Star-Banner. 16 lutego 1987 r. (5 stycznia 2013 r.) Http://news.google.com/newspapers?id=xZ0TAAAAIBAJ&sjid=mAYEAAAAIBAJ&pg=4103,25787&dq=hydrogen+embrittlement&hl=en
• Azom.com. „Gospodarka wodorowa przyszłości pobudza badania nad kruchością wodoru. 28 maja 2008 r. (5 stycznia 2013 r.) Http://www.azom.com/news.aspx?newsID=12342
• Fundacja Dziedzictwa Chemicznego. „Antoine-Laurent Lavoisier”. (4 stycznia 2013) http://www.chemheritage.org/discover/online-resources/chemistry-in-history/themes/early-chemistry-and-gases/lavoisier.aspx
• CNN.com. „Bush zachwala zalety paliwa wodorowego”. 6 lutego 2003 r. (3 stycznia 2013 r.) Http://articles.cnn.com/2003-02-06/politics/bush-energy_1_hydrogen-power-fuel-cells-dependence-on-foreign-oil?_s = PM: ALLPOLITICS
• Gray, Hugh. R. „Kruchość środowiska wodorowego”. NASA. 26 czerwca 1972. (5 stycznia 2013) http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19720019924_1972019924.pdf
• Making-Hydrogen.com. „Historia wodoru”. (4 stycznia 2013). http://www.making-hydrogen.com/history-of-hydrogen.html
• Uniwersytet McGill. „Badania ujawniają wskazówki dotyczące przyczyny kruchości wodorowej”. 19 listopada 2012 r. (7 stycznia 2013 r.) Http://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/study-reveals-clues-cause-hydrogen-embrittlement-219051.
• Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej. „Podstawy wodoru”. 18 maja 2012 r. (4 stycznia 2013) http://www.nrel.gov/learning/eds_hydrogen.html
• Science Daily. „Wskazówki dotyczące przyczyny kruchości wodoru w metalach: ustalenia mogą pomóc w projektowaniu nowych materiałów odpornych na kruchość”. 19 listopada 2012 r. (4 stycznia 2013) http://www.sciencedaily.com/releases/2012/11/121119132309.htm
• Science Daily. „Wodór powoduje pękanie metalu”. 21 sierpnia 2010 r. (3 stycznia 2013 r.) Http://www.sciencedaily.com/releases/2010/08/100816114831.htm