Vätgasens historia och användning

Väte är det enklaste och vanligaste av de kemiska grundämnena, som är byggstenarna i all materia. Andra atomer består av protoner, neutroner och elektroner. Men väte har bara en elektron och en proton. Det är också det vanligaste grundämnet. Faktum är att väte utgör ungefär tre fjärdedelar av all materia i universum.

Vet du det?

USA producerar cirka 85 miljoner kubikmeter väte varje år. Det motsvarar mer än 50 gånger volymen av Rogers Centre i Toronto!

Väte är en färglös och luktfri icke-metall. I sin vanligaste form är det extremt brännbart. Med andra ord har den en tendens att brinna upp i lågor. Denna tendens gör väte till både en mycket farlig och en mycket användbar resurs.

När väte upptäcktes?

Väte upptäcktes första gången 1671 av den brittiske vetenskapsmannen Robert Boyle. Han hade experimenterat med olika metaller genom att doppa dem i syra. När en ren metall placeras i syra sker en typ av reaktion som kallas enkelplaceringsreaktion. Om man till exempel lägger en bit kalium (K) i en lösning av saltsyra (HCl) uppstår följande reaktion:

2K + 2HCl → 2KCl + H2

Den fasta kaliummetallen reagerar med syran och bildar ett salt som kallas kaliumklorid. Under tiden kombineras de överblivna väteatomerna för att bilda vätgas.

I en artikel från 1776 bekräftade en brittisk vetenskapsman vid namn Henry Cavendish att väte är ett distinkt grundämne. Både Boyle och Cavendish noterade att vätgas är mycket lättantändligt. Specifikt genomgår den snabbt och våldsamt en förbränningsreaktion med syre.

2H2 + O2 → 2H2O (+ Värme)

Reaktionen tar väte- och syremolekyler och kombinerar dem tillsammans för att bilda H2O (vatten). Denna reaktion är exotermisk. Det innebär att den genererar värmeenergi – med andra ord eld. Andra forskare skulle senare upptäcka att väte utgör bränslet för de kärnfusionsreaktioner som sker inuti stjärnor. Dessa fusionsreaktioner genererar allt ljus och all värme som solen och andra stjärnor producerar.

Vet du det?

Väte smälter vid 14° över den absoluta nollpunkten (14° Kelvin eller -259 C

Vad har vätgas använts till förr?

Samtidigt med att vätgasen är lättantändlig observerade Boyle och Cavendish också att vätgasen har mindre densitet (är lättare) än luft. Vätgas är utmärkt för att lyfta saker som ballonger. På detta sätt liknar det det näst enklaste grundämnet, helium. I själva verket är väte till och med bättre på att lyfta saker än helium. Så det var bara en tidsfråga innan folk började konstruera vätgasfyllda ballonger för transport. I början av 1900-talet hade stora luftskepp som använde väte som lyftgas blivit en populär form av flygresor.

Den vätefyllda luftskeppsgaloppen varade dock inte länge. År 1937 inträffade en tragedi i USA. Det tyska luftskeppet Hindenburg fattade eld och exploderade vid Lakehurst, New Jersey, och 36 personer omkom.

Luftskeppskonstruktörer visste att väte är brandfarligt och att helium var ett säkrare val. Helium var dock sällsynt och dyrt. Så de valde det billigare men mindre säkra alternativet. Efter Hindenburgkatastrofen övergavs väte snabbt som lyftgas. Samtidigt blev flygplan allt vanligare.

Vad har vätgas använts till på senare tid?

Du har säkert sett videoklipp av en rymdfärjeskytteluppskjutning från Kennedy Space Center eller av dockning vid den internationella rymdstationen. Det programmet avbröts 2011. Men fram till dess var rymdfärjan det viktigaste sättet för NASA:s astronauter att ta sig ut i rymden. Har du någonsin funderat på vad som drev de omöjligt enorma motorerna? Det var väte!

Rymdfärjans huvudmotor drevs av flytande väte och flytande syre. Hur mycket kraft ger förbränning av vätgas? Så mycket att det är svårt att föreställa sig! Tre rymdfärjans motorer som arbetar tillsammans avger ungefär samma mängd energi som 120 järnvägslokomotiv.
NASA:s ingenjörer förstod också hur farligt vätgas kunde vara. De bestämde sig dock för att de kunde dra nytta av all denna råkraft så länge de var mycket försiktiga.

På senare tid har människor varit alltmer intresserade av att minska sin påverkan på miljön. Ett sätt att göra detta är att sluta bränna bränsle för att driva bilar. Det finns ett stort intresse för att utveckla vätgasbränslecellsdrivna bilar. Det fina med att använda vätgas för att driva bilar är att avfallsprodukten, till skillnad från bensin, inte är en växthusgas – det är vatten!

Vidste du det?

Under 2018 finns det tre vätgasdrivna bilar i produktion. Honda, Hyundai och Toyota tillverkar varsin vätgasdriven bil.

Till skillnad från Hindenburg behöver vätgasdrivna bilar inte vara superlätta som ballonger, så bränslet komprimeras och förvaras i mycket tuffa tankar för att förhindra läckor. Den bästa lösningen skulle vara att lagra bränslet som ett fast ämne i stället för som en gas. Materialet kan fortfarande brinna vid en olycka. Det är dock osannolikt att det exploderar. Risken för brand vid olyckor är ungefär densamma som med en bensindriven bil.

Men ett av de största problemen med att använda vätgas som bränslekälla för bilar är lagringen. Vätgas har mer energi än bensin i vikt, men har mindre energi i volym. Det innebär att du behöver en ganska stor tank med vätgas för att köra bilen en rimlig sträcka innan du fyller på bränsle. De flesta bilars bensintankar är för små för att lagra tillräckligt med vätgas för att köra runt i stan!

Vetenskapsmän har undersökt hur man kan omvandla vätgasen från en gas till ett fast ämne. Anledningen till detta är den låga energitätheten. När vätgasen absorberas i en fast kemikalie kan den få en högre energitäthet. Akademiska, industriella och statliga forskare undersöker alla detta innovativa sätt att föra vätgasen till framkant i energiekonomin.