هیدروژن، به‌عنوان ساده‌ترین عنصر شیمیایی، از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده و فاقد نوترون است. این گاز غیرسمی، بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه در شرایط محیطی (دمای 20 درجه سانتی‌گراد و فشار یک اتمسفر) یکی از کوچک‌ترین مولکول‌ها را تشکیل می‌دهد (با شعاع واندروالس برابر 120 پیکومتر) و در مقایسه با هوا، 14 برابر سبک‌تر است. هیدروژن همچنین دارای سرعت انتشار بالایی (0.61 سانتی‌متر مربع بر ثانیه) بوده و قابلیت رانش بالایی دارد. ویژگی‌هایی همچون این، موجب شده هیدروژن در حوزه‌های مختلف صنعتی و علمی، به‌ویژه در صنایع هسته‌ای و تولید انرژی مورد توجه قرار گیرد. فرآیند مایع‌سازی هیدروژن یکی از فرآیندهای بسیار انرژی‌بر است و چالش‌های فنی و اقتصادی متعددی را به همراه دارد که تاریخچه ای از آن در مقاله آورده شده است.
نقطه اشتعال هیدروژن، یعنی دمایی که در آن گاز هیدروژن می‌تواند با یک منبع جرقه شعله‌ور شود، برابر با 231- درجه سانتی‌گراد است که در مقایسه با سایر سوخت‌ها بسیار پایین‌تر است. این ویژگی باعث می‌شود هیدروژن در سیستم‌های احتراق ساده‌تر و کارآمدتر قابل استفاده باشد.
شکل بالا نیز ارتباط بین چگالی هیدروژن و دما در فشارهای مختلف را نشان می‌دهد. در شرایط فشار محیطی (یک اتمسفر)، هیدروژن در دمای 253- درجه سانتی‌گراد به حالت مایع در می‌آید، که با افزایش چشمگیر چگالی آن همراه است. دمای بحرانی هیدروژن برابر با 240- درجه سانتی‌گراد و فشار بحرانی آن برابر با 3.1 مگاپاسکال است. با افزایش فشار به یک مگاپاسکال، نقطه جوش هیدروژن نیز افزایش می‌یابد.
در شرایط فوق بحرانی، جایی که فشار بالاتر از نقطه بحرانی است، رفتار هیدروژن دستخوش تغییرات می‌شود؛ زیرا در این حالت گرمای نهان وجود ندارد و ویژگی‌های فیزیکی آن متفاوت خواهد بود.
تاریخچه مایع‌سازی هیدروژن: از تلاش‌های اولیه تا فناوری‌های مدرن
بهره‌وری پایین تجهیزات و فرآیندهای مایع‌سازی یکی از موانع اصلی بر سر راه توسعه اقتصاد هیدروژنی است. بررسی تحولات فناوری‌های مربوط به کاهش مصرف انرژی و افزایش بازده اگزرژی در سیستم‌های مایع‌سازی هیدروژن، فرصت‌های قابل توجهی برای بهبود این فرآیند فراهم می‌کند.
پیشینه مایع‌سازی گازها به اوایل دهه 1700 باز می‌گردد، زمانی که دانشمندان برای نخستین بار به دنبال پاسخ این سوال بودند که آیا دمایی پایین‌تر از حد معمول وجود دارد یا خیر. در نهایت، نظریه وجود “صفر مطلق” در سال 1704 مطرح شد. مایع‌سازی گازها به عنوان بخشی از تلاش‌ها برای دست‌یابی به این دما، یکی از بخش‌های مهم تاریخ علم به شمار می‌رود.
یکی از پیشگامان این حوزه، سر همفری دیوی، در اوایل دهه 1800 تلاش‌های زیادی برای مایع‌سازی گازها با خنک‌سازی و فشرده‌سازی انجام داد. در سال 1823، مایکل فارادی، یکی از شاگردان دیوی و بنیان‌گذار توسعه گازهای صنعتی، موفق به مایع‌سازی گازهایی همچون کلر، آمونیاک و دی‌اکسید کربن شد. فارادی با استفاده از یک لوله شیشه‌ای خمیده، گاز گرم شده را منبسط کرده و فشار را در انتهای سرد لوله افزایش داد، که این فرآیند باعث مایع‌شدن گازها شد.
با این حال، او نتوانست گازهای اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن را مایع کند. این تلاش‌ها بعدها توسط تیلوریر در سال 1844 تکرار شد و با استفاده از کمپرسورهای مکانیکی، موفق به مایع‌سازی گازهای بیشتری شد. در سال 1845، فارادی از پمپ‌های هیدرولیک برای تولید مقادیر بیشتری از دی‌اکسید کربن مایع و جامد استفاده کرد. او در آن زمان بر این باور بود که برخی از گازها مانند هیدروژن و نیتروژن غیرقابل تراکم هستند و نمی‌توانند مایع شوند.
در سال 1894، اصطلاح “برودتی” برای توصیف فرآیندهای تولید دماهای بسیار پایین به‌کار گرفته شد و با پیشرفت علم کرایوژنیک، ترکیبی از دانش ترمودینامیکی و مهندسی به‌وجود آمد که به مطالعه دماهای کمتر از 120 درجه کلوین پرداخته شد.
دمای بحرانی و اهمیت آن در مایع‌سازی گازها
دمای بحرانی به‌عنوان یک مفهوم علمی در سال 1863 معرفی شد. این مفهوم به‌سرعت جایگاه ویژه‌ای در علم ترمودینامیک پیدا کرد، زیرا نشان داد که گازها را نمی‌توان به مایع تبدیل کرد مگر اینکه دمای آن‌ها به کمتر از دمای بحرانیشان برسد. کشف دمای بحرانی و ارتباط آن با فرآیند مایع‌سازی گازها، به‌ویژه در گازهایی که پیش از این به عنوان “گازهای دایمی” شناخته می‌شدند، نقش اساسی در تحول علم کرایوژنیک ایفا کرد.
مطالعات اولیه نشان داد که در دمای زیر نقطه بحرانی، یک گاز به بخار تبدیل شده و اگر دما بالاتر از این نقطه باشد، به‌صورت گاز باقی می‌ماند. به همین دلیل، افزایش ساده فشار بخار به تنهایی برای مایع کردن گازها کافی نبود و نیاز به کاهش دما به زیر نقطه بحرانی داشت. در سال 1870، مشخص شد که هیدروژن نیز در صورت خنک شدن به اندازه کافی، به مایع تبدیل می‌شود. این کشف نقطه عطفی در تلاش برای مایع‌سازی هیدروژن و دیگر گازها بود.
اثر ژول-تامسون و تحول در خنک‌سازی گازها
در ادامه این مسیر علمی، کشف مهم دیگری نیز در سال 1852 انجام شد که به‌عنوان اثر ژول-تامسون شناخته می‌شود. این اثر که یکی از مفاهیم کلیدی در علم ترمودینامیک است، بیانگر تغییر دمای گاز یا مایع در نتیجه تغییرات فشار در شرایط آنتالپی ثابت است. این کشف به ایجاد تحولات بزرگ در تکنولوژی خنک‌سازی و تبرید کمک کرد.
اثر ژول-تامسون به این شکل عمل می‌کند که وقتی گازی از طریق یک ولو یا دریچه متخلخل منبسط می‌شود، دمای آن کاهش می‌یابد. در پی این کشف، دستگاه‌های تبرید اولیه مبتنی بر این اثر طراحی شدند. یکی از اولین سیستم‌های خنک‌کننده، دستگاه تبرید زیمنس بود که از این مکانیزم برای کاهش دما استفاده می‌کرد. در دهه 1860، کرک اولین سیستم خنک‌کننده استرلینگ را طراحی کرد که به نوعی نسخه بهبود یافته از سیستم زیمنس بود.
پیشرفت‌های بیشتر در مایع‌سازی گازها
در سال 1877، با استفاده از اثر ژول-تامسون و در نظر گرفتن دمای بحرانی، اکسیژن برای اولین بار به‌صورت مه مایع تولید شد. کایلت، دانشمند برجسته‌ای که در این زمینه کار می‌کرد، اکسیژن و مونوکسید کربن را تحت فشار بالا (تا 300 اتمسفر) قرار داد و آن‌ها را تا 29- درجه سانتی‌گراد خنک کرد. سپس با انبساط سریع گازها، توانست فرآیند مایع‌سازی را تکمیل کند (شکل زیر).
پیکتت، یکی دیگر از پیشگامان مایع‌سازی گازها، تکنیک‌های فارادی و پرکینز را با هم ترکیب کرد و با استفاده از حمام‌های پیش‌خنک‌کننده و یک سیستم آبشاری، فرآیند مایع‌سازی را به سطح جدیدی ارتقا داد (شکل زیر). این سیستم تبرید چندسطحی، اولین سیستم برودتی چندمرحله‌ای بود که بعدها دانشمندان دیگری مانند دووار و اونس برای مایع‌سازی هیدروژن و هلیوم از آن الهام گرفتند.
در نهایت، بیست سال پس از تولید مه اکسیژن، در سال 1883، اکسیژن به‌صورت مایع کامل تولید شد. این دستاورد با اصلاح دستگاه کایلت و اضافه‌کردن یک ساختار U شکل به لوله شیشه‌ای محقق شد. با استفاده از این تغییرات و کاهش دمای اتیلن با ایجاد فشار نسبی منفی، فرآیند مایع‌سازی اکسیژن به طور کامل عملیاتی شد.
اختراعات کلیدی در مایع‌سازی گازها
در مسیر پیشرفت مایع‌سازی گازها، دو اختراع بسیار مهم نقش اساسی داشتند: فلاسک دووار و مبدل حرارتی جریان متقابل (رکوپراتور). این دو اختراع به‌عنوان نقاط عطفی در این حوزه محسوب می‌شوند و تأثیر بسزایی در بهبود فرآیندهای مایع‌سازی گازها داشتند.
فلاسک دووار، یک مخزن دوجداره است که به دلیل وجود پوشش نقره در بین جداره‌ها و خلاء موجود بین آن‌ها، به‌عنوان یک عایق حرارتی کارآمد عمل می‌کند. این فناوری برای اولین بار عایق خلاء را به‌منظور ذخیره‌سازی گازهای مایع معرفی کرد و تحولی مهم در تکنیک‌های ذخیره‌سازی ایجاد کرد. رکوپراتور، دیگر اختراع برجسته، به‌عنوان مبدل حرارتی جریان متقابل، با استفاده از بازیابی انرژی گرمایی از اگزوزها و پیش‌گرمایش هوای احتراق، راندمان فرآیندهای خنک‌سازی را بهبود بخشید.
در سال 1895، همپسون حمام‌های آبشاری را که برای خنک‌سازی اکسیژن استفاده می‌شد، با این مبدل حرارتی جایگزین کرد و از ترکیب آن با شیر ژول-تامسون برای کاهش دما از طریق انبساط بهره گرفت. نرخ مایع‌سازی در این سیستم یک لیتر در ساعت گزارش شده است. شکل زیر نشان‌دهنده یک نمونه آزمایشگاهی از دستگاه لینده است.
لینده نیز با بررسی مجدد سیستم‌های زیمنس و کرک و استفاده از اثر ژول-تامسون، توانست فرآیندهای مایع‌سازی هوا را بهبود دهد. او با جایگزینی منبسط‌کننده زیمنس با یک شیر انبساط، اولین نمونه صنعتی مایع‌سازی هوا را ایجاد کرد.
در سال 1902، کلود با اصلاح چرخه لینده-همپسون، یک توربین انبساط را جایگزین شیر انبساط کرد که باعث افزایش راندمان و کاهش فشار در فرآیند شد. او همچنین توانست فرآیند جداسازی هوا را در همان سال با موفقیت انجام دهد.
پیشرفت‌های بیشتر در مایع‌سازی هیدروژن و هلیوم
در سال 1884، روبلوفسکی موفق به تولید بخار گذرای هیدروژن شد. او هیدروژن را تحت فشار بالا و دمای اکسیژن مایع منبسط کرد تا به این موفقیت دست یابد. نتایج این آزمایش‌ها در سال 1895 توسط اولشفسکی تأیید و در مقیاس بزرگ‌تر تکرار شد.
سر جیمر دووار، در سال 1898 موفق به مایع‌سازی هیدروژن شد. دووار از سیستمی مشابه سیستم لینده استفاده کرد و هیدروژن گازی را تحت فشار 180 بار قرار داد، آن را تا دمای 250- درجه سانتی‌گراد توسط اسید کربنیک و هوای مایع خنک کرد و در نهایت با استفاده از فلاسک دووار، آن را به فشار اتمسفر منبسط نمود. در این سیستم، فقط 1% از گاز به شکل مایع تولید شد. شکل زیر دستگاه دووار را نشان می‌دهد که توانست هیدروژن را با سرعت 4 سی‌سی در دقیقه مایع کند.
در نهایت، اونس در سال 1908 توانست هلیوم را مایع کند و این موفقیت نقطه اوج تاریخچه مایع‌سازی گازها بود. شکل زیر رویدادهای مهم در مایع‌سازی گازها از نظر دما را نشان می‌دهد. همان‌طور که در این شکل مشاهده می‌شود، فاصله زمانی بین مایع شدن دی‌اکسید کربن توسط فارادی و مایع‌سازی اکسیژن توسط روبلوفسکی و اسلوفسکی تقریباً 2.3 برابر فاصله زمانی بین مایع‌سازی اکسیژن و مایع‌سازی هلیوم توسط اونس است. این موضوع نشان‌دهنده سرعت پیشرفت دانش برودتی در نیمه دوم قرن نوزدهم است.
جمع‌بندی
مسیر طولانی مایع‌سازی گازها، از تلاش‌های اولیه در قرن نوزدهم تا دستاوردهای بزرگ اوایل قرن بیستم، پر از چالش‌ها و نوآوری‌های بزرگ بود. اختراعات کلیدی مانند فلاسک دووار و مبدل حرارتی جریان متقابل، نقش اساسی در بهبود فرآیندهای مایع‌سازی داشتند و با ترکیب این فناوری‌ها با مفاهیمی همچون اثر ژول-تامسون و توسعه سیستم‌های تبرید، امکان مایع‌سازی گازهای سختی همچون هیدروژن و هلیوم فراهم شد.
سرعت پیشرفت در زمینه کرایوژنیک به‌ویژه در نیمه دوم قرن نوزدهم، به طرز قابل توجهی افزایش یافت و این دانش به‌عنوان پایه‌ای برای توسعه فناوری‌های نوین در حوزه انرژی و ذخیره‌سازی گازهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفت. توانایی مایع‌سازی گازها به بشر این امکان را داد تا به حوزه‌هایی مانند علوم هسته‌ای، فیزیک برودتی و حتی صنایع فضایی راه یابد و از این دستاوردها در مسیر پیشرفت فناوری‌های پاک و پایدار استفاده کند.
