hidrógeno líquido

_El hidrógeno líquido ( H₂ (l) ) es el estado líquido del elemento hidrógeno . ^El hidrógeno se encuentra naturalmente en 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 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, puede mantenerse como líquido durante algún tiempo en contenedores con aislamiento térmico. ^{[ 6 ]}    

Existen dos isómeros de espín del hidrógeno . El hidrógeno a temperatura ambiente es 75 % ortohidrógeno. A temperaturas criogénicas se convierte exotérmicamente en parahidrógeno. El estado termodinámico de menor energía para el hidrógeno líquido consiste en 99,79 % de parahidrógeno y 0,21 % de ortohidrógeno. ^{[ 5 ]} Para evitar la liberación de calor exotérmica y la consiguiente evaporación excesiva durante el almacenamiento, se emplea la conversión catalítica a parahidrógeno durante la licuefacción.

El hidrógeno requiere un mínimo teórico de 3,3 kWh/kg (12 MJ/kg) para licuarse, y 3,9 kWh/kg (14 MJ/kg) incluyendo la conversión del hidrógeno al isómero para. Las instalaciones de licuefacción existentes utilizan 10–13 kWh/kg (36–47 MJ/kg) en comparación con un poder calorífico del hidrógeno de 33 kWh/kg (119 MJ/kg) . ^{[ 7 ]} Trabajos más recientes muestran que se espera que las futuras instalaciones reduzcan la demanda de energía específica a la mitad, a 6,5 ​​kWh/kg (23 MJ/kg). ^{[ 8 ]}          

En 1885, Zygmunt Florenty Wróblewski publicó la temperatura crítica del hidrógeno como 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) .       

James Dewar licuó el hidrógeno en 1898 mediante enfriamiento regenerativo y su invento, el termo . La primera síntesis del isómero 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 son paralelos. A temperatura ambiente, el hidrógeno gaseoso se encuentra mayoritariamente 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. Lentamente, experimenta una reacción exotérmica para convertirse en el isómero para, liberándose suficiente energía en forma de calor como para provocar la ebullición de parte del líquido. ^{[ 9 ]} Para evitar la pérdida de líquido durante el almacenamiento a largo plazo, se convierte intencionalmente al isómero para como parte del proceso de producción, generalmente utilizando un catalizador como óxido de hierro(III) , carbón activado , amianto platinizado, metales de tierras raras, compuestos de uranio, óxido de cromo(III) o algunos compuestos de níquel. ^{[ 9 ]}

El hidrógeno líquido es un combustible líquido común para cohetes en aplicaciones de cohetería y es utilizado por la NASA y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , 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). ^{[ 10 ]}

In most rocket engines fueled by liquid hydrogen, it first cools the nozzle and other parts before being mixed with the oxidizer, usually liquid oxygen, and burned to produce water with traces of ozone and hydrogen peroxide. Practical H₂–O₂ rocket engines run fuel-rich so that the exhaust contains some unburned hydrogen. This reduces combustion chamber and nozzle erosion. It also reduces the molecular weight of the exhaust, which can increase specific impulse, despite the incomplete combustion.

Liquid hydrogen can be used as the fuel for an internal combustion engine or fuel cell. The MF Hydra ferry is powered by liquid hydrogen. Various submarines, including the Type 212 submarine, Type 214 submarine, and others, and concept hydrogen vehicles have been built using this form of hydrogen, such as the DeepC, BMW H2R, and others. Due to its similarity, builders can sometimes modify and share equipment with systems designed for liquefied natural gas (LNG). Liquid hydrogen is being investigated as a zero carbon fuel for aircraft. Because of the lower volumetric energy, the hydrogen volumes needed for combustion are large. Unless direct injection is used, a severe gas-displacement effect also hampers maximum breathing and increases pumping losses.

Liquid hydrogen is also used to cool neutrons to be used in neutron scattering. Since neutrons and hydrogen nuclei have similar masses, kinetic energy exchange per interaction is maximum (elastic collision). Superheated liquid hydrogen was also used in many bubble chamber experiments.

The first thermonuclear bomb, Ivy Mike, used liquid deuterium, also known as hydrogen-2, for nuclear fusion.

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 los enlaces N≡N, formando NOx tóxico si no se realiza la depuración de los gases de escape. ^{[ 11 ]} Dado que el agua suele considerarse inocua para el medio ambiente, un motor que la quema puede considerarse de " 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 ). ^{[ 12 ]} El hidrógeno líquido también tiene una energía específica mucho mayor que la gasolina , el gas natural o el diésel. ^{[ 13 ]}

La densidad del hidrógeno líquido es de tan solo 70,85  kg/m³ ⁽ a 20 K ), una densidad relativa de apenas 0,07. Aunque su energía específica es más del doble que la de otros combustibles, esto le confiere una densidad energética volumétrica notablemente baja , mucho menor. 

El hidrógeno líquido requiere tecnología de almacenamiento criogénico, como contenedores especiales con aislamiento térmico, y un manejo especial, común a todos los combustibles criogénicos . Esto es similar al oxígeno líquido , pero más exigente . Incluso con contenedores con aislamiento térmico, es difícil mantener una temperatura tan baja, y el hidrógeno se escapará gradualmente (normalmente a una tasa del 1 % por día ^{[ 13 ]} ). Además, comparte muchos de los mismos problemas de seguridad que otras formas de hidrógeno, así como la capacidad de alcanzar temperaturas lo suficientemente bajas como para licuar o incluso solidificar el oxígeno atmosférico, lo que puede representar un riesgo de explosión.

El punto triple del hidrógeno se encuentra a 13,81  K ^{[ 5 ]} y 7,042  kPa. ^{[ 14 ]}

Debido a sus bajas temperaturas, el hidrógeno líquido es peligroso por causar quemaduras frías . El hidrógeno en sí es biológicamente inerte y su único riesgo para la salud humana en estado gaseoso es el desplazamiento del oxígeno, que puede provocar asfixia , además de su alta inflamabilidad y capacidad de detonación al mezclarse con el 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 recién vaporizado del líquido está tan frío que es más pesado que el aire y puede formar mezclas inflamables de aire e hidrógeno, que son más pesadas que el aire.

Existe un riesgo indirecto para la seguridad debido a que la temperatura criogénica es inferior al punto de ebullición del oxígeno. La exposición de contenedores de hidrógeno líquido con un aislamiento térmico insuficiente puede provocar la condensación de aire en el exterior del contenedor, lo que conlleva un enriquecimiento de oxígeno que puede inflamar espontáneamente materiales inflamables.