金屬氫在武器裝備中的應用前景

□ 孔 超 韓一丁

金屬氫在武器裝備中的應用前景

□ 孔 超 韓一丁

2017年1月26日，哈佛大學自然科學系教授伊薩克?席爾瓦拉及其博士后研究員蘭加?迪亞茲在《科學》雜志上發表論文，宣稱他們用超高壓制造出了世界上首個金屬氫樣本。這一試驗結果如果被證實，意味著幾十年來對氫轉化為金屬的探索將取得重大突破。金屬氫是一種能量密度高、高儲能的材料，理論上還具備常溫超導性等特點，如能有效應用，將對未來武器裝備的發展帶來巨大影響。

金屬氫的研發過程及其特性

從理論物理學家于1935年首次預測金屬氫的存在以來，在實驗室制備出金屬氫就一直是各國科研人員的夢想。根據理論預測，在高壓砧內用足夠的壓力擠壓，氫就能獲得導電性——金屬態的標志。物理學家表示，金屬氫可能還有其他奇異性質，如在室溫下擁有超導性。

近年來，物理學家已經在高于地心壓力的壓力下，用金剛石壓砧擠壓了微量氫樣本。這種實驗非常精細，很容易出現錯誤。研究者已經在擠壓過程中觀察到了材料顏色從透明轉變為深色的變化，這意味著電子被擠壓在一起后擁有了吸收可見光光子的能力。但能反射光線、閃閃發亮的金屬氫的存在還沒有得到證明。

2016年，愛丁堡大學的物理學家，使用一對鉆石，并施以高壓來擠壓氫分子，同時分析其行為。他們發現在壓力相當于地球大氣壓的325萬倍時，氫進入到固體狀態，被命名為“狀態五”，這時氫開始表現出一些有趣而不尋常的特性。它的分子開始分成單個原子，原子中的電子表現出金屬特性。物理學家聲稱，他們發現的狀態還只是分子分離的開始，如果想要創造出理論預測的純原子和金屬狀態的氫，還需要更高的壓力。

這次哈佛大學發現的金屬氫，是由自然科學系教授伊薩克?席爾瓦拉及其博士后研究員蘭加?迪亞茲共同完成的。他們將一塊微小的固態氫樣品置于495千兆帕的高壓下，這一數值甚至超過了地球中心的壓力值。在這一極端的外部壓力下，分子氫的化學鍵將被打開，最終形成由氫原子為最小單位組成的晶體氫，即具有金屬性質的金屬氫。

金屬氫具有較高的能量密度，一方面是因為金屬氫的制備消耗了大量能量，如果將它轉化回氫分子，其釋放所蘊藏能量的量級極為巨大。另一方面，氫本身也是質量能量密度最高的燃料，這是由于氫的單位摩爾質量是所有元素中最小的，因此單位質量氫的摩爾質量是最大的，而燃燒產生的能量和摩爾質量呈正比。金屬氫作為高儲能物質，燃燒效率高，單位質量金屬氫在燃燒時能釋放出巨大的能量，可作為火箭、導彈的推進劑，也可用于制造超高能炸藥。

金屬氫能夠保持亞穩態。當壓力撤除后，亞穩態金屬氫并不會馬上恢復成普通氫氣，如能制造出穩定的金屬氫材料，將進一步加速其在武器裝備中的應用進程。金屬氫還具有常溫超導性，因為金屬氫原子間隔與電子波長長度相當，在理論上具有常溫超導性質。科學家預測，金屬氫可能在開氏溫度160K甚至290K的高溫下出現超導現象。

金屬氫在武器裝備中的應用

可用于制造高效的推進劑。金屬氫的高能量密度對航天及導彈工業意義重大。例如，為追求更高的比沖，國內外重型火箭基本上采用的是液氫液氧的組合推進劑，因此必須把火箭做成一個很大的熱水瓶似的容器，以便確保低溫，造成了火箭體積較大。而金屬氫的密度是液氫的7倍以上，如果使用金屬氫，火箭或許就可以制造得靈巧、小型，使導彈可以裝載更多的武器載荷。另外，理論上以金屬氫作為燃料的火箭發動機比沖可以高達1700秒——超目前的先進水平450秒。可見，金屬氫稱得上是世界上已知的最強力的推進劑。

可用于制造高能炸藥。如果金屬氫中存儲的化學能量能在短時間內全部釋放出來，就會產生爆炸性的效果，這時金屬氫就成為一種超高能炸藥，可以作為大規模殺傷性武器使用。據理論預測，金屬氫作為超高含能物質的能量密度高達218kJ/g，是TNT炸藥的50倍，是綜合性能最好的奧克托金HMX炸藥的40倍。換句話說，金屬氫的爆炸威力是現在高能炸藥的4～50倍之多。

利用金屬氫的高爆威力，還能研制出不需要原子彈引爆的下一代氫彈。雖然氫聚變的產物沒有污染，但核聚變的條件太過苛刻，目前人類還只能使用原子彈爆炸壓縮來實現。正因為如此，無論原子彈還是氫彈都會帶來巨大的核污染，即使是號稱相對干凈的中子彈也是如此。如果可以大量制備出超高能的金屬氫，使用金屬氫爆炸的威力引發核聚變，那么這種氫彈在爆炸后將十分“干凈”。

具備潛在的聚變應用價值。金屬氫是一種亞穩態物質，可以用它來做成約束等離子體的“磁籠”，把熾熱的電離氣體“盛裝”起來，有利于實現受控核聚變，使核能轉變成電能，而這種電能將是廉價的又是干凈的，在地球上就會方便地建造起一座座“模仿太陽的工廠”，進一步解決能源問題。

金屬氫還是一種高效聚變燃料。例如，在激光慣性約束核聚變中，核燃料是氫的同位素氘－氚的混合物。若用固態金屬氘－氚作燃料小球，由于其密度比其他形式氘－氚混合物的密度高，在一定容積的靶室內可裝更多燃料，因而可提高核聚變的效率，產生更多的聚變能。固態金屬氘－氚核聚變燃料的使用將使未來核聚變反應堆的實用化和小型化成為可能，為受控核聚變能早日進入社會生活領域和軍事領域奠定物質基礎。

常溫超導性隱藏巨大軍事應用潛力。金屬氫在理論上具備常溫超導性。超導材料具有極其優越的物理特性，超導體的應用將導致一場新技術革命。金屬氫超導材料在軍事領域的應用將是非常廣泛的，如超導電磁推進系統、超導電磁炮、超導粒子束武器、大功率發動機、超導儲能系統、超導計算機等。例如，由金屬氫制成的超導聚能武器能把能量匯聚成極細的能束，沿著精確的方向，以接近或等于光速的速度發射出去，對目標進行殺傷；用金屬氫制成的閉合線圈是一種理想的儲能裝置，因為只要線圈保持超導狀態，它所儲存的電磁能就會毫無損耗地長期保存下去，并可隨時把強大的能量提供給聚能武器，超導儲能裝置使聚能武器如虎添翼。金屬氫常溫超導性如能實際驗證并應用，必將帶來巨大的軍事技術革命。

金屬氫從制造到應用的路途遙遠

首先，部分科學家質疑金屬氫的存在。此次哈佛科學家制造出金屬氫樣本，從一開始就遭受很多質疑，有科學家認為兩位研究者觀察到的閃亮金屬到底是不是氫還不清楚。因為此次金屬氫制備實驗用到的金剛石砧都經過特殊處理，為了防止鉆石破裂會鍍一層三氧化二鋁，實驗中的金屬態物質可能是三氧化二鋁，因為三氧化二鋁在高壓下也可能出現不同的表現。兩位科學家并沒有證明三氧化二鋁在這樣的壓力范圍下不會變為純金屬態。正在大家對金屬氫樣本持續懷疑時，有報道稱，由于操作失誤，兩位科學家制造的金屬氫樣本消失了，可能消失在位于兩個金剛石之間、被用來裝金屬氫的金屬“襯墊”內；也可能因為不穩定，在常溫常壓下變成了氣體。

其次，金屬氫的特性未得到驗證。金屬氫在理論上是一種亞穩態物質，能在常溫下保持穩定狀態，還具備常溫超導性，但均未得到有效驗證。哈佛科學家是通過超高壓壓縮得到金屬氫的樣本的，且僅僅是通過拍攝的照片的光澤度來判斷樣本的金屬性。由于擔心驗證性實驗可能會破壞寶貴的樣本，兩位科學家并未對金屬氫的常溫超導性、穩定性等特性進行進一步的測試。兩位科學家還把金屬氫材料保存在了低溫恒溫器里，未能證實在常溫常壓下金屬氫能否存在。

最后，金屬氫制造工藝困難。

哈佛科學家是通過金剛石對頂砧技術，將氫原子加壓到大氣壓的約500萬倍，才得到金屬氫的樣本。該加工技術所用的設備昂貴，甚至一般實驗室都無力承擔設備的價格，而且金屬氫還只能一次做出微克級，所以離實用還有很大的距離。

總之，因為具有極大的應用潛力，金屬氫歷來備受科學界關注，這種全新材料的發現，絕對稱得上是科技界革命性的成果。當然，金屬氫的存在還需要做很多工作來完成驗證，從實驗室走向工業界，并在武器裝備中的應用，將會有很長的路程要走。相信經過科學家的不斷努力，我們終將能看到金屬氫在軍事中廣泛的應用，并將武器裝備提升到一個新的層面。（中國航天科技集團）