Vedyn historia ja käyttö

Vety on kemiallisista alkuaineista yksinkertaisin ja yleisin, joka on kaiken aineen rakennusaine. Muut atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Vedyssä on kuitenkin vain yksi elektroni ja yksi protoni. Se on myös runsain alkuaine. Itse asiassa vety muodostaa noin kolme neljäsosaa kaikesta maailmankaikkeuden aineesta.

Tiesitkö?

Yhdysvallat tuottaa vuosittain noin 85 miljoonaa kuutiometriä vetyä. Se vastaa yli 50 kertaa Toronton Rogers Centren tilavuutta!

Vety on väritön ja hajuton ei-metalli. Yleisimmässä muodossaan se on erittäin palava. Toisin sanoen sillä on taipumus syttyä tuleen. Tämä taipumus tekee vedystä sekä erittäin vaarallisen että erittäin hyödyllisen luonnonvaran.

Milloin vety löydettiin?

Vedyn löysi ensimmäisen kerran vuonna 1671 brittiläinen tiedemies Robert Boyle. Hän oli kokeillut erilaisia metalleja kastamalla niitä happoon. Kun puhdas metalli laitetaan happoon, tapahtuu reaktiotyyppi, jota kutsutaan yhden siirtymän reaktioksi. Esimerkiksi lisäämällä pala kaliumia (K) suolahappoliuokseen (HCl) tapahtuu seuraava reaktio:

2K + 2HCl → 2KCl + H2

Jähmeä kaliummetalli reagoi hapon kanssa muodostaen suolan nimeltä kaliumkloridi. Samalla jäljelle jääneet vetyatomit yhdistyvät vetykaasuksi.

Britannialainen tiedemies Henry Cavendish vahvisti vuonna 1776 julkaistussa artikkelissaan, että vety on erillinen alkuaine. Sekä Boyle että Cavendish huomasivat, että vetykaasu on hyvin syttyvää. Erityisesti se käy nopeasti ja rajusti läpi palamisreaktion hapen kanssa.

2H2 + O2 → 2H2O (+ lämpö)

Reaktiossa vety- ja happimolekyylit yhdistyvät H2O:ksi (vesi). Tämä reaktio on eksoterminen. Se tarkoittaa, että se tuottaa lämpöenergiaa – toisin sanoen tulta. Muut tutkijat havaitsivat myöhemmin, että vety toimii polttoaineena tähtien sisällä tapahtuvissa ydinfuusioreaktioissa. Nämä fuusioreaktiot tuottavat kaiken valon ja lämmön, jota Aurinko ja muut tähdet tuottavat.

Tiesitkö?

Vety sulaa 14° absoluuttisen nollapisteen yläpuolella (14° kelviniä eli -259 C:n lämpötilassa)

Mihin vetyä on aiemmin käytetty?

Sen lisäksi, että vety on helposti syttyvää, Boyle ja Cavendish havaitsivat, että vetyllä on pienempi tiheys eli se on vähemmän painavaa (kevyempää) kuin ilma. Vety on loistava nostamaan asioita, kuten ilmapalloja. Tällä tavoin se on samanlainen kuin toiseksi yksinkertaisin alkuaine, helium. Itse asiassa vety pystyy nostamaan asioita jopa paremmin kuin helium. Oli siis vain ajan kysymys, milloin ihmiset alkaisivat suunnitella vedyllä täytettyjä ilmapalloja kuljetukseen. 1900-luvun alkuun mennessä suurista ilmalaivoista, jotka käyttivät vetyä nostokaasuna, oli tullut suosittu lentomatkustamisen muoto.

Vetytäytteisten ilmalaivojen villitys ei kuitenkaan kestänyt kauan. Vuonna 1937 Yhdysvalloissa tapahtui tragedia. Saksalainen ilmalaiva Hindenburg syttyi tuleen ja räjähti Lakehurstissa, New Jerseyssä, tappaen 36 ihmistä.

Lentolaivasuunnittelijat tiesivät, että vety on syttyvää ja että helium oli turvallisempi valinta. Helium oli kuitenkin harvinaista ja kallista. Joten he valitsivat halvemman mutta vähemmän turvallisen vaihtoehdon. Hindenburgin katastrofin jälkeen vedystä luovuttiin nopeasti nostokaasuna. Samaan aikaan lentokoneet yleistyivät.

Mihin vetyä on käytetty viime aikoina?

Olet varmaan nähnyt videoita, joissa on kuvattu avaruussukkulan laukaisua Kennedyn avaruustutkimuskeskukselta tai telakoitumista kansainväliselle avaruusasemalle. Tuo ohjelma lopetettiin vuonna 2011. Siihen asti Shuttle oli kuitenkin NASAn astronauttien tärkein tapa päästä avaruuteen. Oletko koskaan miettinyt, mikä pyöritti niitä mahdottoman valtavia moottoreita? Se oli vety!

Avaruussukkulan päämoottori toimi polttamalla nestemäistä vetyä ja nestemäistä happea. Kuinka paljon tehoa vedyn polttaminen tuottaa? Niin paljon, että sitä on vaikea kuvitella! Kolme yhdessä toimivaa Space Shuttle -moottoria tuottaa suunnilleen saman verran energiaa kuin 120 junan veturia.
NASA:n insinöörit ymmärsivät myös, kuinka vaarallista vety voi olla. He päättivät kuitenkin, että he voisivat hyödyntää kaiken tuon raa’an voiman, kunhan he olisivat hyvin varovaisia.

Viime aikoina ihmiset ovat olleet yhä kiinnostuneempia vähentämään ympäristövaikutuksiaan. Yksi tapa tehdä tämä on lopettaa polttoaineen polttaminen autojen käyttövoimana. Vetypolttokennoilla toimivien autojen kehittäminen kiinnostaa paljon. Vetyä autojen polttoaineena käytettäessä on mukavaa se, että toisin kuin bensiinin kanssa, jätetuotteena ei synny kasvihuonekaasua, vaan vettä!

Tiesitkö?

Vuonna 2018 tuotannossa on kolme vetykäyttöistä autoa. Honda, Hyundai ja Toyota valmistavat kukin vetyautoa.

Hindenburgista poiketen vetyautojen ei tarvitse olla superkevyitä kuten ilmapallojen, joten polttoaine puristetaan ja varastoidaan erittäin koviin säiliöihin vuotojen estämiseksi. Paras ratkaisu olisi varastoida polttoaine kiinteänä eikä kaasuna. Materiaali voi silti palaa onnettomuuden seurauksena. On kuitenkin epätodennäköistä, että se räjähtäisi. Tulipalon riski onnettomuuksissa on suunnilleen sama kuin bensiinikäyttöisessä autossa.

Mutta yksi suurimmista ongelmista vedyn käyttämisessä autojen polttoaineena on varastointi. Vedyssä on painon perusteella enemmän energiaa kuin bensiinissä, mutta tilavuuden perusteella vähemmän energiaa. Tämä tarkoittaa, että tarvitset melko suuren vetykaasusäiliön, jotta voit ajaa autollasi kohtuullisen matkan ennen tankkausta. Useimpien autojen kaasusäiliöt ovat liian pieniä, jotta niihin voisi varastoida tarpeeksi vetykaasua kaupunkia varten!

Tutkijat ovat pohtineet vedyn muuttamista kaasusta kiinteäksi aineeksi. Syynä tähän on alhainen energiatiheys. Kun vety imeytetään kiinteään kemikaaliin, se voi saada suuremman energiatiheyden. Akateemiset, teollisuuden ja hallitusten tutkijat tutkivat kaikki tätä innovatiivista tapaa tuoda vetyä energiatalouden eturintamaan.