El hidrógeno líquido ( H2 (l) ) es el estado líquido del elemento hidrógeno . El hidrógeno se encuentra de forma natural 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 un estado completamente líquido a presión atmosférica , el H2 necesita 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 usa típicamente como una 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 como líquido durante algún tiempo en contenedores con aislamiento térmico. [6]
Hay dos isómeros de espín del hidrógeno ; mientras que el hidrógeno a temperatura ambiente es principalmente ortohidrógeno, el hidrógeno líquido se compone de 99,79% de parahidrógeno y 0,21% de ortohidrógeno. [5]
El hidrógeno requiere un mínimo teórico de 3,3 kWh/kg (12 MJ/kg) para licuar, y 3,9 kWh/kg (14 MJ/kg) incluyendo la conversión del hidrógeno al isómero para, pero en la práctica generalmente se necesitan entre 10 y 13 kWh/kg (36 y 47 MJ/kg) en comparación con el valor calorífico del hidrógeno de 33 kWh/kg (119 MJ/kg). [7]
En 1885, Zygmunt Florenty Wróblewski publicó que la temperatura crítica del hidrógeno era de 33 K (−240,2 °C; −400,3 °F); la presión crítica, 13,3 atmósferas estándar (195 psi); y el punto de ebullición, 23 K (−250,2 °C; −418,3 °F).
El hidrógeno fue licuado por James Dewar en 1898 mediante el uso de refrigeración regenerativa y su invención, el termo de vacío . La primera síntesis de la forma isomérica estable del hidrógeno líquido, el parahidrógeno, fue lograda 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 la forma isomérica orto debido a la energía térmica, pero una mezcla enriquecida en orto solo es metaestable cuando se licúa a baja temperatura. Experimenta lentamente una reacción exotérmica para convertirse en el isómero para, con suficiente energía liberada como 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 de tierras raras, compuestos de uranio, óxido de cromo (III) o algunos compuestos de níquel. [8]
El hidrógeno líquido es un combustible líquido común para cohetes en aplicaciones de cohetería y lo utilizan la NASA y la Fuerza Aérea de los 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 se enfría la boquilla y otras partes antes de mezclarse con el oxidante, generalmente oxígeno líquido , y quemarse para producir agua con trazas de ozono y peróxido de hidrógeno . Los motores de cohetes prácticos 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 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, incluidos 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 a veces pueden modificar y compartir equipos con sistemas diseñados para gas natural licuado (GNL). El hidrógeno líquido se está investigando como combustible sin carbono para aeronaves . Debido a la menor energía volumétrica , los volúmenes de hidrógeno necesarios para la combustión son grandes. A menos que se utilice la inyección directa , un efecto de desplazamiento de gas severo también dificulta la respiración máxima y aumenta las pérdidas de 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, el hidrógeno líquido sobrecalentado se utilizó en muchos experimentos de cámara 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 del hidrógeno en un entorno 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 enlaces N≡N, lo que forma NOx tóxico si no se realiza un lavado de gases de escape. [10] Dado que el agua suele considerarse inofensiva para el medio ambiente, un motor que la queme puede considerarse "cero emisiones". Sin embargo, en la aviación, 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 tan solo 70,85 kg/m 3 (a 20 K ), una densidad relativa de apenas 0,07. Aunque la energía específica es más del doble de la de otros combustibles, esto le confiere una densidad energética volumétrica notablemente baja , muchas veces inferior.
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, pero más severo, que el oxígeno líquido . Incluso con contenedores con aislamiento térmico es difícil mantener una temperatura tan baja, y el hidrógeno se filtrará 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 ser un peligro de explosión.
El punto triple del hidrógeno está a 13,81 K [5] y 7,042 kPa. [13]
Debido a sus bajas temperaturas, el hidrógeno líquido es un peligro de quemaduras por frío . El hidrógeno en sí es biológicamente inerte y su único peligro para la salud humana en forma de vapor es el desplazamiento del oxígeno, lo que resulta en 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 intente la ignición. 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 aire-hidrógeno inflamables más pesadas que el aire.