氫：從恐怖核彈到未來能源

馬欄山

普通人眼中的氫

地球上的氫

氣球銷售員卡爾從小就想成為一名探險家，去南美洲的“仙境瀑布”探險。但是直到78歲高齡，他才下定決心完成自己一生的夙愿，他在自己的屋頂系上成千上萬個五彩繽紛的氫氣球，飛向夢想中的“仙境瀑布”……

這是動畫電影《飛屋環游記》的故事，氣球之所以能升到高空，是因為里面填充的氫氣密度遠小于空氣。空氣中的氫氣是很少的，那我們是怎么發現它的呢？

400多年前，好多醫生就在無意中提取到氫氣了，那時候他們發現金屬落到酸里面，會有一些氣體產生，這種氣體是可以燃燒的。英國化學家普利斯特里就很喜歡用氫氣的燃燒特性來作弄朋友。他用排水集氣法把氫氣收集在試管里，當朋友來訪時，他在試管口一點火，試管立馬吐出長長的火舌，并發出震耳欲聾的爆炸聲，將他的朋友們嚇一跳，他給這種小玩意取了一個外號叫做“爆鳴氣”。

同一時間，英國化學家卡文迪許也在研究氫氣，不過卡文迪許作為一個將科學實驗作為畢生摯愛的宅男，他可不像普利斯特里那樣只把氫氣作為惡作劇的道具，經過多次實驗，卡文迪許發現了氫氣的一些屬性，據此我們認為他是氫氣的發現者。

卡文迪許用鐵和鋅等與鹽酸及稀硫酸反應的方法制取氫氣，他發現，用一定量的金屬與酸作用，所產生的氫氣量總是固定不變的，與酸的種類和濃度無關。他還發現，氫氣與氧氣混合可以燃燒，而2毫升氫氣與1毫升氧氣燃燒后恰好得到水，這就是其他人沒有發現的燃燒背后的秘密。遺憾的是，因為認識不夠深入的關系，卡文迪許沒有意識到自己發現了新元素，幾年后法國化學家拉瓦錫重復了卡文迪許的實驗，確認了可燃氣體是一種新的元素，并命名為氫，意思是“成水元素”，至此氫才有了大名。

雖然發現了氫元素，但是我們對氫的了解在很長一段時間里還是停留在“比空氣輕，可以燃燒，但是提取麻煩”這樣簡單的認識里，因為在地球上，獨立存在的氫（即氫氣）實在是不多。泥土中約有1.5%的氫氣，空氣的成分中，氫氣僅占二百萬分之一，地球上絕大部分的氫都以化合物的形式存在于水中。

既然氫的存在感這么低，被科學家忽略也是很正常的吧，但是當人們沖出地球，走向宇宙的時候，這種認知被完全顛覆了，宇宙中最多的元素就是氫！

太空里的氫

宇宙是浩瀚而美妙的，那里有夢幻般的星云、巨大而熾熱的恒星、充滿謎團的黑洞，還有數不清的像地球一樣的行星們。

但是如果從元素的層面看，宇宙又是單調的。因為在整個宇宙中，氫和氦兩種元素就占了所有元素總質量的98%，而氫元素就占了這之中的75%。如果按照原子數量而言，氫原子則占了所有原子總數的88.6%以上，也就是說，氫元素在宇宙中幾乎無處不在！

這么說也許還不夠體現氫元素的重要地位，事實上，氫元素可以說是元素之母和地球之母。

目前最主流的宇宙起源學說——宇宙大爆炸認為，構成當今世界所有的物質來自一個高密度高溫度的原始核的大爆炸，大爆炸后宇宙產生了中子，中子衰變成質子和電子，質子捕獲周圍經過的電子形成了一個穩定的電中性原子，這就是最簡單的氫原子。

眾多的氫原子在引力作用下不斷聚集在一起，在壓力達到足夠大的時候，四個氫原子開始聚合成一個氦原子，這個聚合反應是非常復雜的，最終會釋放出大量的能量，在氫的燃燒中，第一代恒星誕生了。這些恒星就如同元素加工廠一樣，把氫元素作為原料，不斷地聚變成氦和更重的元素，直到形成26號元素鐵。越大的恒星燃燒的速度越快，消亡得也就越快，足夠大的恒星在死亡的時候，會進行一次超新星爆發，變成一顆中子星或者黑洞，同時產生的巨大壓力和熱量使得更重的元素誕生了，比如79號元素金。氫的燃燒“生出”了后面的眾多元素和物質，可謂是名副其實的元素之母。

從宏觀層面來看，說太陽是地球之母應該沒有人能反對，我們賴以生存的能量都是太陽提供的，但太陽提供的能量其實也來自于氫。

太陽中含有極其豐富的氫元素，按質量計約占太陽總質量的71%，在太陽內極高溫（1500萬度）和極高壓（2000億個大氣壓）的環境下，氫核聚變成氦核，同時釋放出巨大的能量，這其實就是氫彈的原理。不同于氫彈的是，太陽內部還有“自控”機制，一輪聚變后，太陽的溫度升高，驅動全是氣體的星體膨脹，這就反過來導致太陽的溫度壓強降低，從而降低了聚變速率，這樣能量就不會瞬時釋放，導致毀滅性的爆發。

太陽沒有一下子就把自己炸完，而是持續“可控”地釋放能量，這才給地球生物進化繁衍提供了機會，太陽上的氫是地球之母，這樣說也無可辯駁吧。

科學家眼中的氫

小氫氣有大能量

雖然我們不敢像《飛屋環游記》里只憑小小的氫氣球飛越大半個地球，不過氣球確實給我們的童年帶來了許多的樂趣，我們也曾經被這樣的“噩夢”困擾，一旦不小心松手，氣球就會晃晃悠悠越升越高，直到夠不著;即使氣球可以“安全”回到家中，第二天也會變得“面目全非”，由一個圓乎乎的大西瓜變成皺巴巴的小橘子……

小時候我們不知道為什么氣球具有這樣的“魔力”，長大后才知道這與氫氣的性質有關。當然，由于氫氣遇明火會發生爆炸，越來越多的人呼吁不要使用氫氣給小朋友們玩的氣球充氣。

可是氫氣的能量可遠遠不止填充氣球而已。氫氣燃燒時火焰可以達到3000℃左右，工業上常利用此反應切割和焊接金屬;高溫環境下，氫可以將金屬氧化物還原成純金屬;往普通植物油中加氫可以得到氫化植物油，我們常用的奶精、奶油和代可可脂等都是這樣制成的;氫氣還有醫學作用，研究表明，吸入2%的氫氣可以有效清除對人體有害的自由基，可治療炎癥損傷、心臟移植后損傷和慢性腎病等。

像太陽內部發光發熱的反應一樣，氫的同位素（具有相同質子數、不同中子數的元素）氘、氚等原子的原子核發生核聚變反應，會瞬時釋放出巨大能量，根據氫的核聚變原理，我們制造出了威力遠大于原子彈的核武器——氫彈。這是目前我們能制造出來的威力最大的熱武器，也是我們能獲得的最大的能量。只是我們還無法控制好氫彈能量的釋放，如果有一天我們能找到像太陽一樣可以隨著反應的進行擴大或縮小體積，從而調控反應體系內的溫度和壓力的容器，實現氫能的可控釋放，那在很長一段時間內我們就不再需要擔心能源耗竭的問題了，畢竟氫原子在宇宙中可謂是取之不盡的。

利用氫核聚變的能量目前看起來還是一個遙遠的難以實現的夢想，但是將氫氣像天然氣一樣儲運、并將其燃燒供能已經在逐步商業化中了。

氫氣儲運是個難題

我們現在已經有好幾種方法能夠得到廉價的氫氣：從工業副產物中提取氫氣;利用煤炭、天然氣等化石能源制取氫氣;利用來自生物的甲醇甲烷制取氫氣;利用風能、太陽能發電來分解水等。這些方法得到的氫氣可以說是大量而廉價的，真正的問題在于，氫氣作為一種又輕又易泄漏還“易怒暴躁”的氣體，我們如何安全又高效地儲存和運輸它呢？

因為密度小的緣故，氫氣滲透性很強，常溫下就可透過橡皮和乳膠管，而在高溫下可透過鈀、鎳、鋼等金屬薄膜。不僅如此，在高溫、高壓下，氫原子還可以滲透到鋼的晶格中，導致鋼瓶脆化開裂。氫氣的這種性質給氫氣的儲存和運輸帶來很大困難。為了解決這個問題，科學家們主要從兩個方面考慮，一個是儲氫技術，另一個就是儲氫材料。

加壓和降溫是儲氫技術最開始考慮的方向。高壓氣態儲氫是目前最常用的儲氫技術，原理是采用高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器里，主要用的容器有純鋼制金屬瓶、鋼制內膽瓶、鋁內膽瓶及塑料內膽瓶4個類型，車載儲氫瓶大多使用后兩種容器。低溫液態儲氫是在高壓、低溫的條件下使氫氣液化再儲運液態氫，儲運效率更高且可以防止泄漏。

不過上述兩種技術都需要高壓，儲氫罐除了制造難度大，成本高昂外，還存在易爆炸的安全隱患。液態儲氫成本很高，要液化1千克的氫氣就要消耗4～10千瓦時的電量。

中國找到了一種更好的方案，常溫常壓儲氫，2016年9月中國運營的氫能公共汽車“泰歌號”正是使用了這個技術，采用特殊溶液吸收氫氣，平常可以穩定儲存，加入催化劑便可釋放氫氣，溶液可重復使用2000次。整個過程不用加壓降溫就可以完成，大大提高了安全性。

尋找儲氫量大、安全高效、成本低廉的儲氫材料是儲運氫氣的另一個方向，金屬合金、碳納米材料是目前研究最多的儲氫材料。金屬合金具有特殊的晶體結構，使得氫原子容易進入其晶格的間隙中并與其形成金屬氫化物。其貯氫量可達金屬本身體積的1000～1300倍。氫與這些金屬的結合力很弱，一旦加熱和改變氫氣壓強，氫即從金屬中釋放出來。碳納米材料顆粒小、比表面積大，氫原子可以結合的面積顯著增多，不過這個材料成本較高，還在實驗室研究階段。

直接儲運和將氫氣像天然氣那樣燃燒供能還是存在一定的安全問題，因為氫氣實在太輕和太易泄漏，更可怕的是如果氫氣在空氣中濃度達到4%～75%，只要有一點明火就會發生爆炸。如果在一個狹小的空間里使用氫氣罐，比如廚房或者地下隧道等，從氫氣泄漏到發生爆炸的整個過程中，人的逃生時間只有1秒！想將氫氣推廣起來，需要尋找更安全的方法。

氫能源的新形態

氫氣作為燃料，主要還是通過氫燃料電池，將化學能轉化為電能。燃料電池可以使富氫燃料氧化，轉化為有用的能量而不會在明火中燃燒，這比起直接燃燒氫氣更加安全，而且與內燃機燃燒做工時的30%的效率相比，氫燃料電池的轉化效率更高，可達32%至70%。當然即使將氫氣的能量轉化成電能，還是逃不掉氫氣的儲運問題，再加上氫燃料電池需要使用貴金屬鉑作為催化劑，目前市面上使用氫燃料電池的汽車還是少數的。

太空中有大量氫元素。太陽系中最大的行星——木星，表面是一層3000千米厚的主要成分是氫氣的大氣，在大氣層下面，是一層很厚的液氫層，而核心是液態金屬氫層。木星的核心，壓力大到我們難以想象的程度，原子與原子之間的距離已經被壓縮到了很小的地步，氫原子的每個原子核周圍都圍繞著十幾個來自其他氫原子的電子，這時候這些電子就可以像金屬中的電子一樣，在原子核的間隙中自由穿行，被各個原子核“共享”，這樣就形成了金屬氫。受木星的“啟發”，科學家在地球的實驗室里也成功將氫氣“變成”了金屬（詳見后文《氫氣也能“點氣成金”》）。

我們研究氫能源還有一個深層的考慮，太空中不是有很多氫氣嗎？在我們向太空進發的征途中，如果飛船燃料耗盡了，可不可以就地取材，將氫氣作為燃料？如果這個想法能實現，沖出太陽系也許就不再僅僅是一個夢想了。1960年，美國物理學家巴薩德提出了一種沖壓發動機，他在飛船頭部設計了一個巨大的漏斗，其中有一個巨大的磁場，用以將星際塵埃粒子收集起來，傳遞到發動機內部，作為核聚變發動機的原料，將核能作為飛船前進的動力。

當然這個想法直到現在我們都還無法實現，先不說核聚變還達不到可控的程度，單是我們收集到的星際塵埃粒子是什么性質我們都還沒有了解透徹，比如說最近科學家在NGC 7027這個年輕的行星狀星云里發現的氫氦正離子，它就是一種目前我們已知的“宇宙最強酸”，我們現在沒有什么容器可以容納這個離子而不被腐蝕。這樣控制不了的粒子在宇宙中可能還有很多，我們可不能輕易把它們作為燃料。

小小的氫氣具有大大的能量，但是如何更安全高效地使用，我們還需要長長的時間慢慢去了解。