Fünf faszinierende Fakten über mächtigen Wasserstoff

5 interessante Fakten über Wasserstoff:

1. Element Nummer eins war nicht das erste Element, das entdeckt wurde.
2. Wasserstoff ist das einzige „neutronenlose“ Element im Universum.
3. Die Anwesenheit von Wasserstoff im Wasser ist nicht der einzige Grund, warum er lebensnotwendig ist.
4. Wasserstoff treibt bereits alles an, was Sie verwenden.
5. Metallischer Wasserstoff kann bei Raumtemperatur ein Supraleiter sein … und der Schwerkraft trotzen.

Letzte Woche haben wir Ihnen zehn „Premieren“ aus Wissenschaft und Technologie vorgestellt, die durch mächtigen Wasserstoff ermöglicht werden. Diese Woche folgen wir mit einer weiteren Liste: Fünf interessante Fakten, die Ihren allgemein verbreiteten Überzeugungen über das einfachste aller Atome trotzen können. Wasserstoff ist voller Überraschungen, weil er sich wie kein anderes Element im Universum verhält. Sie können es wütend in Sternen brennen sehen, die Moleküle des Lebens sanft zusammenhalten oder es überhaupt nicht finden — obwohl es praktisch überall ist.

Nahaufnahme der Wasserstofffackeln der Sonne. Solar Dynamics Observatory, NASA. Creative Commons Lizenzierung.

Hier sind fünf kuriose Fakten über Wasserstoff, die ich im Beitrag dieser Woche faszinierend und erwähnenswert finde.

Element Nummer eins war nicht das erste Element entdeckt

Es sitzt in der Nummer eins Position im Periodensystem. Seine Ordnungszahl von eins bedeutet, dass es ein einzelnes Proton in seinem Kern hat. Doch diese Position Nummer eins täuscht: Wir haben Tausende von Jahren gebraucht, um Wasserstoff zu entdecken. Es ist schwer vorstellbar, aber 18 andere Elemente wurden identifiziert, bevor wir das häufigste von allen entdeckten. Hier ist eine interessante Zeitleiste der Elemente, die vor Wasserstoff entdeckt wurden. Kupfer, Blei, Gold, Silber, Eisen, Kohlenstoff, Zinn, Schwefel, Quecksilber, Zink, Arsen und Antimon wurden alle in der Antike ausgegraben. Dies ist nicht überraschend, da die meisten dieser Elemente fest sind und in ihrer reinen Form leicht in der Natur zu finden sind. Als die Zivilisation Fortschritte machte, wurden mehr Elemente gefunden, als die Menschen sie aus ihren natürlichen Zuständen extrahierten. Dies war der Fall für die nächsten sechs Elemente — alle nach dem 16.Jahrhundert entdeckt: Phosphor, Kobalt, Platin, Nickel, Wismut und Magnesium. Die Zeit für Wasserstoff kam 1766, als Henry Cavendish als erster Wasserstoff als diskrete Substanz isolierte und charakterisierte und das Gas „brennbare Luft“ nannte.“ Erst 15 Jahre später erkannte er, dass Wasserstoff, wenn er verbrannt wurde, sich mit Sauerstoff verband, um Wasser zu erzeugen. Cavendish erkannte, dass er tatsächlich ein Element entdeckt hatte, nicht nur eine Substanz.

Wasserstoff ist das einzige „neutronenlose“ Element im Universum

Wir alle haben es in der Schule studiert: ein Diagramm mit einem einzelnen sphärischen Proton, das den Kern bildet, und einem einzelnen Elektron, das die Umlaufbahn um ihn herum beschreibt. Kein Neutron. Wie ein Ein-Planeten-Sonnensystem ist das Wasserstoffatom elegant und einfach. Es ist in der Tat diese elegante Einfachheit (und der Mangel an Neutronen), die es auszeichnet und Wasserstoff zum Element macht, das Wissenschaftler seit Jahrhunderten verwenden, um die subatomare Welt zu verstehen. Doch nicht jeder Wasserstoff ist gleich. Im Jahr 1910 entdeckte der britische Radiochemiker Frederick Soddy Isotope, während er den natürlichen Strahlungsprozess beobachtete, der in allen Elementen auftritt. Er stellte fest, dass dieser Prozess zu Atomen führen könnte, die sich in ihrem Gewicht (der Anzahl der Protonen und Neutronen, die den Kern des Atoms bilden) unterschieden, aber chemisch identisch waren. Soddy arbeitete mit Wasserstoff und entdeckte Deuterium, ein Isotop von Wasserstoff, das ein Neutron hat (und auch schwerer Wasserstoff genannt wird). Die häufigste Form von Wasserstoff (H1) hat ein Proton im Kern und ein Elektron, das es umkreist. In seiner seltenen Form hat Deuterium (H2) drei Teilchen: ein Proton, ein Elektron und ein Neutron. Deuterium kommt natürlich vor, umfassend 0.015% des gesamten Wasserstoffs im Universum. Interessanterweise ist die Existenz von Deuterium bei einem niedrigen, aber konstanten Uranteil in der gesamten Wasserstoffmaterie eines der Hauptargumente für die Urknalltheorie.

Die Anwesenheit von Wasserstoff im Wasser ist nicht der einzige Grund, warum er für das Leben essentiell ist

Wasser ist essentiell für das Leben, wie wir es kennen. Wenn wir woanders nach Leben suchen, folgen wir dem Wasser. Dutzende von Raumsonden wurden nach der Entdeckung von Wasser auf dem Mars und mehreren der Jupiter- und Saturnmonde gestartet. Hier auf der Erde glauben Wissenschaftler, dass das Leben begann, als eine Mischung aus ursprünglichen Aminosäuren in Wasser durch eine elektrochemische Reaktion ‚entzündet‘ wurde. Von diesem Moment an nutzt alles Leben auf unserem Planeten Wasser. Da jedes Wassermolekül zwei Wasserstoffatome für jedes Sauerstoffatom hat, folgt daraus, dass Wasserstoff für das Leben notwendig ist. Wasserstoff spielt jedoch eine weitere ebenso entscheidende Rolle bei der Unterstützung des Lebens, buchstäblich. Wasserstoff ist essentiell für die DNA. Die Doppelhelixstruktur des Moleküls wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten. Insbesondere bleiben die beiden DNA-Stränge durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammen, die zwischen komplementären Nukleotidbasenpaaren auftreten. Zwischen den Adenosin- und den Thyminbasenpaaren treten zwei Wasserstoffbrückenbindungen auf; und zwischen den Cytosin- und den Guaninbasenpaaren gibt es drei Wasserstoffbrückenbindungen. Ohne diese Wasserstoffbrückenbindungen, die die beiden Arme des Moleküls zusammenhalten, gäbe es keine Doppelhelix; und ohne sie kein Leben.

Wasserstoff treibt bereits alles an, was Sie verwenden

In gewissem Sinne ist die Wasserstoffwirtschaft bereits da: Sie können unwissentlich Wasserstoff verwenden, um alles anzutreiben — von Ihrem Zuhause bis zu Ihrem Auto. Dies gilt unabhängig davon, ob Sie traditionelle oder alternative Energie verwenden, ob Sie einen gashungrigen Hummer oder einen elektrischen Nissan Leaf haben, ob Sie Sonnenkollektoren auf Ihrem Dach haben oder das Stromnetz nutzen. Alles beginnt im Zentrum der Sonne. Die Kernbrände der Sonne wandeln Wasserstoff in Helium um und setzen Energie in Form von Photonen frei, die in nur acht Minuten hier ankommen. Vor Millionen von Jahren wurden diese Photonen von alten Pflanzen für die Photosynthese verwendet. Dinosaurier und andere Organismen ernährten sich von diesen Pflanzen, und als sie starben, verbanden sich ihre Kohlenstoffreste mit Wasser und zersetzten sich in die Kohlenwasserstoffe (Öl, Kohle und Erdgas), die heute unsere Autos und Fabriken antreiben. Wenn diese Photonen auf Ihr Solarpanel treffen, war es Wasserstoff, der sie überhaupt produzierte. Gleiches gilt für den Strom, mit dem Elektroautos und -geräte aufgeladen werden: Er wird entweder durch Wasser in Staudämmen (H2O), durch Turbinen, die mit Benzin oder Erdgas (Kohlenwasserstoffen) betrieben werden, oder in einem Kernreaktor erzeugt, dessen Brennstoff hergestellt wurde, als Wasserstoff im Zentrum der meisten Sterne seine Magie entfaltete. Dieses allgegenwärtige, mächtige Element birgt das Potenzial, noch weiter zu gehen — unsere Gesellschaft als Wasserstoffbrennstoff auf saubere und nachhaltige Weise mit Strom zu versorgen.

Metallischer Wasserstoff kann bei Raumtemperatur ein Supraleiter sein…und der Schwerkraft trotzen

Vor ein paar Monaten veröffentlichte Scientific American einen interessanten Artikel mit dem Titel „The Race to Turn Gassy Hydrogen into Solid Metal.“ Der Artikel untersuchte einige der unkonventionellen Eigenschaften, die metallischer Wasserstoff haben würde, wenn er im Labor hergestellt werden könnte. Reiner Wasserstoff ist ein Gas. Um es zu einer Flüssigkeit zu machen, sind hoher Druck und extrem kalte Temperaturen erforderlich; Deshalb ist es so teuer zu lagern und zu transportieren. Um Wasserstoff metallisch zu machen, wären enorme Drücke erforderlich — ähnlich den Drücken im Zentrum von Sternen —, von denen angenommen wird, dass Wasserstoff metallisch ist. Der Artikel erklärt, wie mehrere Wissenschaftsteams beginnen, die Verwendung von Diamanten und Lasern zu erforschen, um den erforderlichen Druck auszuüben. Bisher konnten sie den Druck im Zentrum von Planeten replizieren, aber sie haben noch einen weiten Weg vor sich, bevor wir metallischen Wasserstoff in Form eines Suprafluids sehen können. Dieses superflüssige Metall hätte einige faszinierende Eigenschaften. Für den Anfang heißt es in dem Artikel: „Wenn metallischer Wasserstoff ein Suprafluid ist, haben Forscher möglicherweise ein Material an ihren Händen, das sich dem Verständnis entzieht. Alle Supraleiter, die wir kennen, sind fest … und alle Superflüssigkeiten sind Isolatoren. Dieser flüssige Wasserstoff wäre ein Supraleiter und gleichzeitig superflüssig — so etwas wurde noch nie beobachtet.“ Es gibt auch wissenschaftliche Spekulationen, dass die andere unkonventionelle Eigenschaft dieses Suprafluids „der Schwerkraft trotzen“ würde, aber das würde uns in das Reich der reinen Spekulation führen. Lassen wir also metallischen Wasserstoff als supraleitende Flüssigkeit, die für sich genommen ziemlich beeindruckend und einzigartig ist.

Seit seiner ersten Beobachtung durch den Schweizer Alchemisten Paracelsus im Jahr 1536 fasziniert und überrascht Wasserstoff Wissenschaftler seit fast 500 Jahren. Das „wesentliche Element“, wie der amerikanische Physiker und Autor John Rigden es nannte, widersetzt sich ständig unseren Arbeitsannahmen und fordert die Wissenschaft heraus, weiter zu graben, um unser Verständnis des Innenlebens der natürlichen Welt zu verbessern. Das Element Nummer eins ermöglicht es uns nicht nur, weit in den Kosmos und tief in unsere eigene DNA zu sehen, sondern es hat auch das Potenzial, die saubere und reichlich vorhandene Energiequelle zu werden, die uns helfen könnte, das dringende Nachhaltigkeitsproblem anzugehen, mit dem wir heute konfrontiert sind.