สร้างโลหะไฮโดรเจน เห็นถึงภายในดาวพฤหัสบดี

5 มกราคม 2548
ปรับปรุงครั้งล่าสุด 22 ธันวาคม 2559
โดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
ณ ห้องทดลองหนึ่งในห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอวเรนซ์ลิเวอร์มอร์ มีปืนใหญ่กระบอกหนึ่งตั้งอยู่ มันมีความยาวเท่ากับรถบัสสองคัน ภายในลำกล้องปืนบรรจุก๊าซไฮโดรเจน มีแท่งระเบิดไดนาไมต์นับสิบแท่งเป็นเชื้อเพลิงขับดัน ปืนนี้ไม่ใช่อาวุธที่จะไปรบกับใคร แต่นี้คืออุปกรณ์ทดลองชิ้นหนึ่ง เป้าหมายของปืนนี้เป็นแค่ไฮโดรเจนเหลวเพียงสองสามหยด

ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีมากที่สุดในเอกภพ ถึงแม้ว่าจะมีโครงสร้างที่เรียบง่าย เพียง โปรตอนและ อิเล็กตรอน แต่ธรรมชาติของไฮโดรเจนยังมีสิ่งลึกลับอีกมากนัก ที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจ

ไฮโดรเจนในสภาวะปกติเป็นก๊าซ แต่ละโมเลกุลของก๊าซไฮโดรเจนประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจน อะตอม ก๊าซไฮโดรเจนจะเริ่มควบแน่นเป็นของเหลวเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 20 เคลวิน (-253 องศาเซลเซียส) และจะเป็นของแข็งได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 14 เคลวิน แต่ไม่ว่าจะปรับอุณหภูมิให้เป็นเท่าใดหรือสถานะไหน ไฮโดรเจนก็ยังคงมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าเสมอ

ในทศวรรษ 1930 นักฟิสิกส์ได้สันนิษฐานว่า หากไฮโดรเจนอยู่ภายใต้ความกดดันสูงยิ่งยวดแล้ว โมเลกุลของไฮโดรเจนจะแตกตัวเป็นอะตอมแล้วไฮโดรเจนจะกลายเป็นโลหะที่นำไฟฟ้าได้ ซึ่งนักดาราศาสตร์ดาวเคราะห์เชื่อว่ามีอยู่ในธรรมชาติภายในดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์

ไม่เพียงเท่านั้น ไฮโดรเจนโลหะที่อยู่ในสถานะของแข็งยังเป็นตัวนำยิ่งยวดอีกด้วย หมายความว่ามันจะไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเลย หากว่ามันสามารถคงคุณสมบัตินี้อยู่ได้ในสภาวะปกติแล้ว มันก็จะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดในอุณหภูมิห้อง วัตถุในฝันที่นักวิทยาศาสตร์เฝ้าเพียรหาวิธีสร้างมานานนับสิบปี เพราะตัวนำยิ่งยวดในอุณหภูมิห้องสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้มากมาย ทำเป็นสายส่งกำลัง หรืออุปกรณ์ในเครื่องใช้ไฟฟ้า หรือใช้เป็นแหล่งพลังงานที่เล็กกระทัดรัดพกพาก็ได้

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่กล่าวมานี้ล้วนเป็นเพียงทฤษฎี ไม่เคยมีใครเห็นไฮโดรเจนโลหะจริง ๆ สักครั้ง หากจะสร้างขึ้นมาโดยการนำไฮโดรเจนมาอัดด้วยความดันสูงแล้ววัดความนำไฟฟ้าอาจไม่ง่ายอย่างที่คิด การทดลองหลายครั้งในอดีตต้องล้มเหลวไป

หลังจากที่เป็นเพียงทฤษฎีมานานถึงเกือบ 70 ปี วิลเลียม เจ. เนลลิส และคณะได้ใช้ปืนก๊าซของลิเวอร์มอร์ที่กล่าวไว้ข้างต้นอัดไฮโดรเจนเหลวให้กลายเป็นโลหะได้เป็นผลสำเร็จ

การทดลองสร้างไฮโดรเจนโลหะด้วยปืนของลิเวอร์มอร์ได้เริ่มต้นหลังจากที่มีการค้นพบตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงได้ไม่นาน ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงดูคล้ายกับเซรามิก เป็นตัวนำยิ่งยวดได้ที่อุณหภูมิประมาณ 77 เคลวิน หรือ -196 องศาเซลเซียส หรือประมาณจุดเดือดของไนโตรเจน ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิทำงานของตัวนำยิ่งยวดชนิดอื่น ๆ ที่พบในขณะนั้นมาก ปืนของลิเวอร์มอร์พัฒนาขึ้นมาโดยเจเนอรัลมอเตอร์ เพื่อใช้ในการวิจัยเกี่ยวกับขีปนาวุธ แบ่งเป็น ตอน มีส่วนขับดันที่บรรจุดินปืนไม่น้อยกว่า 3.3 กิโลกรัม แรงระเบิดจากดินปืนจะผลักกระสุนลูกแรกอันหนักอื้งที่ทำหน้าที่เหมือนลูกสูบให้วิ่งเข้าไปในลำกล้องขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 90 มิลลิเมตร ยาว 10 เมตร ภายในลำกล้องบรรจุก๊าซไฮโดรเจน 60 กรัม (ไฮโดรเจนในส่วนนี้ไม่ใช่ไฮโดรเจนที่ใช้ในการทำให้เป็นโลหะ) เมื่อกระสุนอัดก๊าซไฮโดรเจนจนมีความดันสูงถึง 0.1 กิกะปาสคาล วาล์วที่กั้นระหว่างลำกล้องตอนแรกกับตอนที่สองจะแตกออก แรงดันก๊าซผลักให้กระสุนลูกที่สองให้วิ่งไปในลำกล้องตอนที่สองที่แคบกว่ามาก มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 28 มิลลิเมตร ลำกล้องที่ตีบแคบลงช่วยเร่งความเร็วของกระสุนได้เป็นอย่างดี ไฮโดรเจนที่บรรจุในลำกล้องก็ช่วยให้การเร่งความเร็วของกระสุนด้วยเช่นกัน เพราะไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบาและนำความเร็วเสียงสูงกว่าก๊าซชนิดอื่น ๆ เมื่อพ้นปากกระบอกแล้ว กระสุนปืนจะมีความเร็วถึง กิโลเมตรต่อวินาที หรือเร็วกว่าเสียง 20 เท่า หรือเร็วกกว่ากระสุนปืนทั่วไป 15 เท่า กระแทกเข้ากับกล่องบรรจุไฮโดรเจนเหลวเข้าอย่างแรง ไฮโดรเจนเหลวในกล่องนี้มีความหนาเพียง 0.5 มิลลิเมตร ประกบหน้าหลังด้วยแผ่นไพลิน ถูกทำให้เย็นจัดจนเหลืออุณหภูมิเพียง 20 เคลวินเพื่อให้มีความหนาแน่นสูงตั้งแต่ต้น กระสุนที่พุ่งชนทำให้เกิดคลื่นกระแทกอย่างแรงและสะท้อนกลับไปกลับมาอยู่ระหว่างแผ่นไพลินทั้งสองนับสิบครั้ง ขั้นตอนนี้ทำให้เกิดความดันที่กระทำต่อไฮโดรเจนสูงถึง 180 กิกะปาสคาล ทำให้ปริมาตรของไฮโดรเจนเหลือเพียงหนึ่งในสิบของเมื่อตอนแรก และอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 3,000 เคลวิน

ปืนก๊าซสองตอนของห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอวเรนซ์ลิเวอร์มอร์ ใช้ดินปืน 3.3 กิโลกรัม ผลักให้ลูกกระสุนลูกแรกอัดก๊าซไฮโดรเจนเข้าไปในลำกล้องตอนที่สองที่เล็กกว่า ลูกกระสุนหัวที่สองในลำกล้องตอนที่สองจะถูกผลักออกจากปากกระบอกด้วยความเร็ว กิโลเมตรต่อวินาที กระแทกเข้ากับกล่องเก็บไฮโดรเจนเหลว เพื่ออัดให้มันกลายเป็นโลหะ 

แม้ว่าช่วงเวลาที่ไฮโดรเจนถูกอัดจนมีความดันสูงสุดสั้นมากเพียง 100 นาโนวินาที (1 ใน 10,000,000 วินาที) แต่ก็นานพอที่จะให้เครื่องมือวัดได้วัดและบันทึกความสำเร็จของการทดลองนี้ได้

เบื้องหลังของการทดลองนี้นับว่ามีอันตรายแอบแฝงอยู่ไม่น้อย โดยเฉพาะไฮโดรเจนจำนวนมากที่อยู่ในลำกล้องตอนแรก หากไฮโดรเจนทั้งหมดในส่วนนี้ผสมเข้ากับออกซิเจนที่อยู่ในห้องเป้าหมาย จะทำให้เกิดการระเบิดที่รุนแรงเทียบเท่าระเบิดทีเอ็นที กิโลกรัมเลยทีเดียว ดังนั้นห้องเป้าหมายจะต้องแข็งแรงเป็นพิเศษ สามารถทนสะเก็ดระเบิดได้โดยไม่แตกรั่ว ออกซิเจนภายนอกจะได้ไม่สามารถไหลเข้ามาในห้องนี้ได้ และทันทีที่ปืนใหญ่เริ่มยิง ไฟเลี้ยงสำหรับวงจรที่ตรวจสอบสภาพภายในห้องเป้าหมายจะถูกตัดทันทีเมื่อลดโอกาสในการเกิดประกายไฟ นอกจากนี้ ยังมีการอัดก๊าซไนโตรเจนเข้าไปในห้องเป้าหมายอย่างรวดเร็วเพื่อเจือจางก๊าซไฮโดรเจนในห้องนี้ และท้ายสุด เพื่อความปลอดภัยของตัวนักวิทยาศาสตร์เอง ขณะทำการทดลองต้องไม่มีผู้ใดอยู่ในห้องทดลองเด็ดขาด

ตลับบรรจุไฮโดรเจนเหลวอยู่ภายในกล่องเป้าหมาย มีอิเล็กโทรดต่ออยู่ การตรวจสอบความต้านทานจำเพาะทำโดยการผ่านกระแสไฟฟ้าอ่อน ๆ เข้าไปในอิเล็กโทรดเหล่านี้ (ความต้านทานของลวดตัวนำได้จาก ค่าความต้านทานจำเพาะคูณความยาวของตัวนำ แล้วหารด้วยพื้นที่หน้าตัดของลวดตัวนำ) จากการทดลองเราพบว่า ที่ความดัน 93 กิกะปาสคาล ความต้านทานจำเพาะของไฮโดรเจนเหลวจะอยู่ที่ประมาณ โอห์ม-เซนติเมตร เมื่อความดันเพิ่มขึ้นสูงถึง 120 กิกะปาสคาล ความต้านทานจำเพาะจะลดลงเหลือ 0.005 โอห์ม-เซนติเมตร ซึ่งจัดว่าอยู่ในสภาวะกึ่งตัวนำ หรือสภาวะที่อยู่กึ่งกลางระหว่างตัวนำและฉนวน

เมื่อความดันสูงขึ้นไปอีกจนถึง 140 กิกะปาสคาล ความต้านทานจำเพาะของไฮโดรเจนเหลวจะลดลงไปถึง 0.0005 โอห์ม-เซนติเมตร ซึ่งถือว่าเข้าสู่ความเป็นโลหะเต็มขั้นแล้ว ณ จุดนี้ ไฮโดรเจนเหลวแสดงพฤติกรรมแปลกประหลาดออกมา โดยความต้านทานจำเพาะของมันจะคงที่อยู่ที่ระดับนี้แม้ว่าจะเพิ่มความดันขึ้นไปอีกก็ตาม อย่างน้อยก็คงที่ถึงระดับความดัน 180 กิกะปาสคาล ซึ่งเป็นความดันสูงสุดที่ใช้ในการทดลอง

ผลการทดลองนี้พอจะอธิบายได้ว่า ไฮโดรเจนที่อยู่ในสภาวะปกติ จะอยู่ในรูปโมเลกุลอะตอมคู่ แต่ละโมเลกุลประกอบด้วยโปรตอนสองโปรตอนล้อมรอบด้วยชั้นหมอกของประจุลบ การให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากโมเลกุลหนึ่งอิเล็กตรอน จะต้องใช้พลังงานถึง 15 อิเล็กตรอนโวลต์ ดั้งนั้นไฮโดรเจนเหลวจึงไม่สามารถนำไฟฟ้าได้

เมื่อไฮโดรเจนเหลวได้รับแรงดันและความร้อน ความหนาแน่นจะสูงขึ้นและโมเลกุลของไฮโดรเจนจะเบียดเสียดกันมากขึ้น ระดับของพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกอิเล็กตรอนจะลดลง ความนำไฟฟ้าจึงสูงขึ้นจนเข้าสู่ภาวะกึ่งตัวนำ เมื่อความดันสูงขึ้นไปอีกจนถึง 140 กิกะปาสคาล ความหนาแน่นของไฮโดรเจนสูงขึ้นถึง 0.32 โมลต่อลูกบาศก์เซนติเมตร และอุณหภูมิขึ้นถึง 2,600 เคลวิน พลังงานที่ต้องใช้ในการแยกอิเล็กตรอนลดลงเหลือเพียง 0.22 อิเล็กตรอนโวลต์ ที่ความหนาแน่นระดับนี้ โมเลกุลไฮโดรเจนจะเบียดอัดกันแน่นจนชั้นหมอกอิเล็กตรอนเริ่มซ้อนทับกัน ทำให้อิเล็กตรอนสามารถกระโดดข้ามโมเลกุลได้ นั่นหมายความว่าไฮโดรเจนสามารถนำไฟฟ้าได้แล้ว แรงดันที่เพิ่มขึ้นไปมากกว่านี้ก็ไม่ได้ทำให้เกิดความแตกต่างไปเท่าใดนัก จุดนี้จึงอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในการทดลองได้ว่า เหตุใดความต้านทานไฟฟ้าของไฮโดรเจนไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเพิ่มที่แรงดันเหนือ 140 กิกะปาสคาล

พฤติกรรมอันแปลกประหลาดของไฮโดรเจนภายใต้ความดันและอุณหภูมิสูงยิ่งยวดนี้ ช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถมองลึกเข้าไปได้ถึงภายในของดาวเคราะห์ยักษ์อย่างดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ดาวเคราะห์สองดวงนี้มีมวลมากกว่าโลกเราหลายร้อยเท่า เนื้อดาวเกือบทั้งหมดเป็นไฮโดรเจน ลึกลงไปในดาวประกอบด้วยไฮโดรเจนที่ถูกแรงกดดันมหาศาลของตัวเองบีบจนเป็นไฮโดรเจนโลหะเหลว ซึ่งชั้นไฮโดรเจนโลหะนี้เองที่เป็นตัวทำให้เกิดสนามแม่เหล็กของดาวยักษ์ทั้งสอง

ก่อนหน้าการทดลองนี้ นักดาราศาสตร์เคยเข้าใจว่า ไฮโดรเจนเหลวที่อยู่ในรูปของโมเลกุลอะตอมคู่จะแตกเป็นไฮโดรเจนอะตอมเดี่ยวและกลายเป็นโลหะทันทีที่ความดัน 300 กิกะปาสคาล จึงเขียนแบบจำลองของดาวพฤหัสบดีเอาไว้ให้มีชั้นไฮโดรเจนชั้นนอกที่หนา 18,000 กิโลเมตร หรือประมาณหนึ่งในสี่ของรัศมี ไฮโดรเจนส่วนนี้จะเป็นไฮโดรเจนที่เป็นฉนวนเช่นเดียวกับไฮโดรเจนทั่วไป ส่วนชั้นในลึกลงไปกว่าชั้นนี้เป็นไฮโดรเจนโลหะทั้งหมด โดยมีแนวแบ่งที่ชัดเจนระหว่างชั้นไฮโดรเจนฉนวนกับชั้นไฮโดรเจนโลหะ แต่ผลจากการทดลอง พบว่าความนำไฟฟ้าของไฮโดรเจนเมื่ออยู่ภายใต้ความกดดันที่เพิ่มสูงขึ้นจะไม่เปลี่ยนแปลงแบบฉับพลัน แต่จะค่อย ๆ เปลี่ยนแปลงไปทีละน้อย โมเลกุลของไฮโดรเจนน่าจะเริ่มแตกตัวเป็นอะตอมที่ความดัน 40 กิกะปาสคาล และแตกตัวออกจนหมดสิ้นที่ความดัน 300 กิกะปาสคาล ไฮโดรเจนได้เข้าสู่ความเป็นโลหะที่ความดันตั้งแต่ 140 กิกะปาสคาลและอุณหภูมิ 4,000 เคลวิน ความดันระดับนี้น่าจะเกิดขึ้นที่ชั้นความลึกเพียง 7,000 กิโลเมตรของดาวพฤหัสบดีเท่านั้น

ความต้านทานจำเพาะของไฮโดรเจนเหลวลดลงตามแรงดันที่เพิ่มขึ้น แต่จะเริ่มคงที่ที่ความดันเหนือ 140 กิกะปาสคาล 

ตามแบบจำลองโครงสร้างภายในของดาวพฤหัสบดีแบบเก่า มีแนวแบ่งที่ชัดเจนระหว่างไฮโดรเจนฉนวนกับไฮโดรเจนโลหะจะอยู่ลึกลงไปถึง 18,000 กิโลเมตร แต่จากการทดลองที่ลิเวอร์มอร์ ทำให้นักดาราศาสตร์ต้องเขียนแบบจำลองใหม่ โดยไฮโดรเจนจะค่อย ๆ นำไฟฟ้ามากขึ้นที่อย่างต่อเนื่อง และจะกลายเป็นโลหะโดยสมบูรณ์ที่ความลึกเพียง 7,000 กิโลเมตร 

ดังนั้น สนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสบดีจึงเกิดขึ้นที่ระดับใกล้พื้นผิวมากกว่าที่เคยคิดไว้ ซึ่งแบบจำลองใหม่นี้สามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดดาวพฤหัสบดีจึงมีสนามแม่เหล็กที่พื้นผิวเข้มข้นมากถึง 10 เกาสส์ เปรียบเทียบกับโลกของเราแล้ว สนามแม่เหล็กเกิดขึ้นที่แกนเหล็กซึ่งลึกลงไปมาก สนามแม่เหล็กที่พื้นผิวโลกจึงมีความเข้มเพียง 0.5 เกาสส์เท่านั้น

เป้าหมายอีกอย่างหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์อยากจะเห็นแต่การทดลองนี้ยังทำไม่ได้ก็คือ ไฮโดรเจนโลหะที่เป็นของแข็ง พวกเขาต้องการรู้ว่า เมื่อไฮโดรเจนโลหะอยู่ในสถานะของแข็งแล้ว มันจะสามารถคงสภาพอยู่อย่างนั้นแม้ว่าความดันและอุณหภูมิภายนอกลดลงสู่สภาพปกติแล้วหรือไม่ เหมือนกับเพชรที่เกิดขึ้นมาจากคาร์บอนภายใต้ความดันสูงแต่ก็ยังคงสภาพความเป็นเพชรอยู่ได้แม้ในความดันปกติ หากเราสามารถทำไฮโดรเจนแข็งที่มีคุณสมบัตินี้ได้จริง ย่อมเกิดประโยชน์ใช้งานมากมาย ทั้งจากความเป็นตัวนำยิ่งยวด น้ำหนักที่เบา และพลังงานศักย์ที่สูง แน่นอนว่ามันเป็นเรื่องไม่ง่ายเลย เพราะไฮโดรเจนมีแรงแวนเดอวาลส์สูง โมเลกุลของมันมักจะผลักออกจากกันได้ง่ายเมื่อความดันภายนอกลดลง นักวิทยาศาสตร์จะต้องหาหนทางเอาชนะปัญหาข้อนี้ต่อไป

แม้ว่าการทดลองนี้ยังไม่สามารถอัดไฮโดรเจนให้เข้าสู่ภาวะตัวนำยิ่งยวดได้ แต่ผลการทดลองก็ช่วยให้เราได้เข้าใจถึงพฤติกรรมที่เหลือเชื่อของไฮโดรเจนภายใต้สภาวะความกดดันและอุณหภูมิสูงได้ดีกว่าเดิมมาก ทำให้นักดาราศาสตร์ได้มองเห็นสภาพภายในของดาวพฤหัสบดีได้ดียิ่งขึ้น

แม้ในวันนี้ ปฏิบัติการยิงไฮโดรเจนของนักวิทยาศาสตร์จะยังไม่เสร็จสิ้น ไม่ว่าเขาจะบรรลุวัตถุประสงค์ในการสร้างไฮโดรเจนโลหะแข็งได้หรือไม่ แต่อย่างน้อย เขาและมนุษยชาติจะได้เรียนรู้กับสิ่งมหัศจรรย์อีกมากมายของธาตุที่มีมากที่สุดในเอกภพนี้

ข้อมูลอ้างอิง

Making Metallic Hydrogen, Scientific AmericanMay 2000
Metallic Hydrogen Has Been Acheived
Livermore Scientists Achieve Metallic Hydrogen
Fact Sheet Hydrogen Produced in Metal Form of for First Time
Metallic Hydrogen Has Been Acheived
Lawrence Livermore National Laboratory
Two-Stage Gas Gun

ตีพิมพ์ในวารสาร "ทางช้างเผือกฉบับธันวาคม 2543