El hidrógeno líquido ( H 2 (l) ) es el estado líquido del elemento hidrógeno . El hidrógeno se encuentra naturalmente en la forma molecular H2 . [4]
Para existir como líquido, el H2 debe enfriarse por debajo de su punto crítico de 33 K. Sin embargo, para que esté en estado completamente líquido a presión atmosférica , el H 2 debe enfriarse a 20,28 K (-252,87 °C; -423,17 °F). [5] Un método común para obtener hidrógeno líquido implica un compresor que se asemeja a un motor a reacción tanto en apariencia como en principio. El hidrógeno líquido se utiliza normalmente como forma concentrada de almacenamiento de hidrógeno . Almacenarlo como líquido ocupa menos espacio que almacenarlo como gas a temperatura y presión normales. Sin embargo, la densidad del líquido es muy baja en comparación con otros combustibles comunes. Una vez licuado, se puede mantener líquido durante algún tiempo en recipientes aislados térmicamente. [6]
Hay dos isómeros de espín del hidrógeno ; Mientras que el hidrógeno a temperatura ambiente es principalmente ortohidrógeno, el hidrógeno líquido se compone de un 99,79% de parahidrógeno y un 0,21% de ortohidrógeno. [5]
El hidrógeno requiere un mínimo teórico de 3,3 kWh/kg para licuarse, y 3,9 kWh/kg, incluida la conversión del hidrógeno al isómero para, pero en la práctica generalmente se necesitan entre 10 y 13 kWh/kg en comparación con el poder calorífico del hidrógeno de 33 kWh/kg. [7]
En 1885, Zygmunt Florenty Wróblewski publicó que la temperatura crítica del hidrógeno era 33 K (-240,2 °C; -400,3 °F); presión crítica, 13,3 atmósferas estándar (195 psi); y punto de ebullición, 23 K (-250,2 °C; -418,3 °F).
El hidrógeno fue licuado por James Dewar en 1898 mediante el uso de enfriamiento regenerativo y su invento, el matraz de vacío . La primera síntesis del isómero estable del hidrógeno líquido, el parahidrógeno, fue realizada por Paul Harteck y Karl Friedrich Bonhoeffer en 1929.
Los dos núcleos de una molécula de dihidrógeno pueden tener dos estados de espín diferentes . El parahidrógeno, en el que los dos espines nucleares son antiparalelos, es más estable que el ortohidrógeno, en el que los dos son paralelos. A temperatura ambiente, el hidrógeno gaseoso se encuentra principalmente en forma ortoisomérica debido a la energía térmica, pero una mezcla ortoenriquecida solo es metaestable cuando se licua a baja temperatura. Lentamente sufre una reacción exotérmica para convertirse en el isómero para, con suficiente energía liberada en forma de calor para hacer que parte del líquido hierva. [8] Para evitar la pérdida del líquido durante el almacenamiento a largo plazo, se convierte intencionalmente en el isómero para como parte del proceso de producción, generalmente utilizando un catalizador como óxido de hierro (III) , carbón activado , asbesto platinizado, metales raros. metales terrestres, compuestos de uranio, óxido de cromo (III) o algunos compuestos de níquel. [8]
El hidrógeno líquido es un combustible líquido común para cohetes y lo utilizan la NASA y la Fuerza Aérea de EE. UU ., que operan una gran cantidad de tanques de hidrógeno líquido con una capacidad individual de hasta 3,8 millones de litros (1 millón de galones estadounidenses). [9]
En la mayoría de los motores de cohetes alimentados con hidrógeno líquido, primero enfría la boquilla y otras partes antes de mezclarlo con el oxidante, generalmente oxígeno líquido , y quemarlo para producir agua con trazas de ozono y peróxido de hidrógeno . Los prácticos motores de cohetes H 2 –O 2 funcionan con combustible rico, de modo que el escape contiene algo de hidrógeno sin quemar. Esto reduce la erosión de la cámara de combustión y de la boquilla. También reduce el peso molecular del escape, lo que puede aumentar el impulso específico , a pesar de la combustión incompleta.
El hidrógeno líquido se puede utilizar como combustible para un motor de combustión interna o una pila de combustible . Se han construido varios submarinos, incluido el submarino Tipo 212 , el submarino Tipo 214 y otros, y vehículos conceptuales de hidrógeno utilizando esta forma de hidrógeno, como el DeepC , el BMW H2R y otros. Debido a su similitud, los constructores en ocasiones pueden modificar y compartir equipos con sistemas diseñados para gas natural licuado (GNL). Se está investigando el hidrógeno líquido como combustible sin emisiones de carbono para aviones . Debido a la menor energía volumétrica , los volúmenes de hidrógeno necesarios para la combustión son grandes. A menos que se utilice inyección directa , un efecto severo de desplazamiento de gas también dificulta la respiración máxima y aumenta las pérdidas por bombeo.
El hidrógeno líquido también se utiliza para enfriar neutrones que se utilizarán en la dispersión de neutrones . Dado que los neutrones y los núcleos de hidrógeno tienen masas similares, el intercambio de energía cinética por interacción es máximo ( colisión elástica ). Finalmente, se utilizó hidrógeno líquido sobrecalentado en muchos experimentos con cámaras de burbujas .
La primera bomba termonuclear , Ivy Mike , utilizó deuterio líquido , también conocido como Hidrógeno-2, para la fusión nuclear.
El producto de la combustión de hidrógeno en un ambiente de oxígeno puro es únicamente vapor de agua. Sin embargo, las altas temperaturas de combustión y el nitrógeno atmosférico presente pueden provocar la ruptura de los enlaces N≡N, formando NOx tóxicos si no se realiza una depuración de los gases de escape. [10] Dado que el agua a menudo se considera inofensiva para el medio ambiente, un motor que la quema puede considerarse "cero emisiones". En la aviación, sin embargo, el vapor de agua emitido a la atmósfera contribuye al calentamiento global (en menor medida que el CO 2 ). [11] El hidrógeno líquido también tiene una energía específica mucho mayor que la gasolina, el gas natural o el diésel. [12]
La densidad del hidrógeno líquido es de sólo 70,85 g/L (a 20 K ), una densidad relativa de sólo 0,07. Aunque la energía específica es más del doble que la de otros combustibles, esto le confiere una densidad de energía volumétrica notablemente baja , muchas veces menor.
El hidrógeno líquido requiere tecnología de almacenamiento criogénico , como contenedores especiales con aislamiento térmico, y requiere un manejo especial común a todos los combustibles criogénicos . Esto es similar al oxígeno líquido , pero más grave . Incluso con contenedores con aislamiento térmico es difícil mantener una temperatura tan baja y el hidrógeno se escapará gradualmente (normalmente a un ritmo del 1% por día [12] ). También comparte muchos de los mismos problemas de seguridad que otras formas de hidrógeno, además de ser lo suficientemente frío como para licuar o incluso solidificar el oxígeno atmosférico, lo que puede representar un peligro de explosión.
El punto triple del hidrógeno está a 13,81 K [5] 7,042 kPa. [13]
Debido a sus frías temperaturas, el hidrógeno líquido supone un peligro de quemaduras por frío . El hidrógeno en sí es biológicamente inerte y su único peligro para la salud humana como vapor es el desplazamiento del oxígeno, lo que provoca asfixia, y su muy alta inflamabilidad y capacidad de detonar cuando se mezcla con aire. Debido a su inflamabilidad, el hidrógeno líquido debe mantenerse alejado del calor o las llamas, a menos que se pretenda encenderlo. A diferencia del hidrógeno gaseoso a temperatura ambiente, que es más ligero que el aire, el hidrógeno recientemente vaporizado del líquido es tan frío que es más pesado que el aire y puede formar mezclas inflamables de aire e hidrógeno más pesadas que el aire.