धातू रुपातील अतिवाहक हायड्रोजन

जलजनक (कूवीसशप) हे अणूद्रव्य असून सामान्य तपमानाला ते वायू स्वरूपात असते, परंतु अतिदाबाच्या पदार्थविज्ञान शास्त्राच्या शाखेतर्फे प्रयोगांती अतिवाहक धातू बनून विज्ञान विकासातील अनेक आश्चर्यांच्या प्रगतीकारक शोधांचा वाटेकरी तो बनू शकतो.

शक्तीदायक विद्युत चुंबकामुळे छोट्या भागांना गतिवर्धकता देणारा, वैद्यकीय क्षेत्रात चुंबकीय प्रतिध्वनी सादृशतेच्या (चठख) साहाय्याने शरीरातील छाती, पोट, मूत्राशय, गर्भारपणीच्या वेळी बालकाचे आरोग्य तपासणे इत्यादी गोष्टी साधल्या जातात; रेल्वेच्या रुळावरून थोड्या उंचावरून अतीगतीने धावणार्‍या मॅगलेव्ह ट्रेनमध्ये होतो; तसेच या अतिवाहक धातूच्या साहाय्याने पृथ्वीवरून अंतराळ क्षेत्रात मानवासह मंगळावर वा इतर ठिकाणी पोहोचू शकतो.

युएस पदार्थविज्ञान शास्त्रज्ञ हिलार्ड बेल हंटिंग्टन आणि ऑयजिन विग्नर या दोघांनी व त्यांच्या सहकार्‍यांनी मिळून ही गोष्ट नक्की केली की, द्रव्यरूपात बदललेला हायड्रोजन प्रचंड दाबाखाली आणला तर सर्वस्वी नवीन धातू पदार्थ बनतो व तो सामान्य तापमानाला कार्यक्षमविद्युत व इलेक्ट्रॉनिक क्षेत्रामध्ये अतिवाहक बनून अनेक धक्कादायक मदत करतो. या शोधाविषयी विज्ञान पत्रिकेमध्ये १९३५ साली छापून आले.

हायड्रोजन धातू बनविण्याकरिता सिल्व्हेरा व दास यांनी एक छोटासा हायड्रोजनचा नमुना घेतला व त्यावर ४९५ गिगा पास्कल किंवा ७१.७ दशलक्ष पौंड प्रती चौ. इंचाचा दाब दिला (हा दाब पृथ्वीच्या मध्य केंद्राकडील दाबापेक्षा जास्त स्वरूपात असेल). या अतोनात दाबाच्या प्रयोगाने हायड्रोजन अणूचे अंतर्गत भंगन होऊन अंतर्गत सर्वस्वी घट्टपणे बांधलेला नवा अणू तयार झाला व त्याचे हायड्रोजन धातूमध्ये रूपांतर केले गेले. हा विज्ञानातील शोध म्हणजे एक महत्त्वाची क्रांतिकारक गोष्ट साध्य झाली आहे व हा नवा पदार्थ सृष्टीवर प्रथमच जन्माला आला आहे. याबाबतीत इसाक सिल्व्हेरानी निदान केले आहे की, हा नवीन बनलेला हायड्रोजन धातू हायड्रोजन नमुन्यावरचा दाब काढल्यावर सामान्य तापमानातसुद्धा त्याच स्थितीत स्थिर राहणारा आहे. जसा ग्रॅफाईटवर अतोनात दाब व उष्णता दिल्यावर हिरा बनतो व दाब-उष्णता काढल्यावरसुद्धा तो हिरा त्याच स्थितीत राहू शकतो. हायड्रोजन धातू स्थिर राहणारा असल्याने त्याचा उपयोग इतर अनेक ठिकाणी सामान्य तापमानाला अतिवाहक म्हणून केला जाऊ शकतो.

परिवहन क्षेत्रात हा नवीन जन्मलेला पदार्थ नक्कीच क्रांती करणार. अतिवेगाच्या मॅगलेव्ह ट्रेनमध्ये, विद्युतवाहनांकरिता आणि कित्येक इलेक्ट्रॉनिक गॅजेटमध्ये त्या गॅजेटची कार्यक्षमता वाढवून त्यात क्रियाशीलता आणील. हा पदार्थ ऊर्जा उत्पादनाकरिता व उर्जेचा साठा करण्याकरिता पण फार उपयोगी ठरणार आहे. याचे कारण तो एक अतिवाहक धातू असल्याने त्यातून विद्युतप्रवाह शून्य विद्युत प्रतिकारानी (zero resistance) होतो.

हायड्रोजन धातू अतिदूर अंतरिक्षात जाणार्‍या उपग्रहांच्या मदतीला येणार आहे. मोठ्या शक्तीमान अग्निबाणांना ते यान लांबवर कोठेही घेऊन जाऊ शकतील. या हायड्रोजन धातूमध्ये अती विशाल इंधनऊर्जा साठवून ठेवण्याची क्षमता असेल.

सध्या उपलब्ध असलेल्या इंधनात अग्नीबाण उडविण्याची (specific impulse) ताकद ४५० सेकंद आहे तर आता नवीन हायड्रोजन अतिवाहक धातूची ताकद १७०० सेकंदापर्यंत वाढेल. बाह्य ग्रहावरचा वा दूरच्या तार्‍यापर्यंतचा व अति वजनदार उपग्रहाचा प्रवास शक्य व सुकर होईल. सध्या अग्निबाण वर उडताना दोन टप्प्यात जाते. ते फक्त एका टप्प्यात जाऊ शकेल. ही खरोखरच क्रांतिकारक घटना आहे. हा शोध लावताना काय संकटे आली?

या अतिवाहक धातूच्या शोधकामाला १९११ पासून सुरुवात झाली आणि जानेवारी २०१७ मध्ये १०६ वर्षांनी त्याला खात्रीचा शोध म्हणून मान्यता मिळाली. १९११ मध्ये हाईक कॅमेरलिंगने अतिवाहक गुणधर्माकरिता पारा, शिसे इत्यादी नेहमीच्या वापरातील धातूंवर प्रयोग केले परंतु त्याला मर्यादित यश मिळाले.

पारा जेव्हा ४.१ केल्विन वा वजा २७१.०५ अंश सेल्सिअस तपमानाला पोहोचते तेव्हा अतिवाहकात शून्य विद्युत प्रतिकार गुणधर्म मिळतो.

शिसे जेव्हा ७.२ केल्विन वा वजा २६५.९५ अंश सेल्सिअस तापमानाला पोहोचते तेव्हा अतिवाहकात शून्य विद्युत प्रतिकाराचा गुणधर्म निर्माण करते.

नत्रवायू जेव्हा १२० केल्विन वा वजा १५३.१५ अंश सेल्सिअस तापमानाला पोहोचते तेव्हा अतिवाहकात शून्य विद्युत प्रतिकाराचा गुणधर्म तुलनात्मकरित्या लवकर धारण करतो, परंतु हे सर्व पदार्थ अतिवाहकाचा अपेक्षित गुणधर्म मिळाल्यावर फार काळ स्थिर राहत नाहीत वा ते तसे ठेवण्याकरिता फार ऊर्जा खर्च करावी लागते. म्हणून या शोधांचा मार्ग खुंटला.

इसाक एफ सिल्व्हेरा व रंगा पी. डायस यांनी हायड्रोजन अणूवर कठीण बनवून घेतलेल्या कृत्रिमहिर्‍याच्या घणाखाली अतिदाब निर्माण केला आणि १.५ मायक्रोमीटर जाडी व १० मायक्रोमीटर लांबीचा (माणसाच्या केसांचा पाचवा हिस्सा जाडीचा) नमुना पदार्थ बनविण्याच्या प्रयत्नात असताना दुर्दैवाने हायड्रोजन अणू नाहिसा झाला व हिर्‍याच्या घणाची हानी झाली. हे प्रयोग त्या संशोधकांना यश मिळण्यासाठी वारंवार करावे लागले.

सध्याच्या वैद्यकीय क्षेत्रातील एमआरआय मशीनमध्ये सध्या निओडायमियम  अतिवाहक वापरले जाते. या अतिवाहक पदार्थामुळे त्या मशीनमध्ये नेहमीच्या ताकदवान चुंबकापेक्षा ८ पट चुंबकता निर्माण होते परंतु अतिवाहकता टिकविण्याकरिता निओडायमियम  अतिवाहक ४ केल्विन वा वजा २६९.१५ अंश सेल्सिअस तापमानात ठेवावे लागते व त्याकरिता मोठी ऊर्जा खर्च करावी लागते. नेहमीच्या ताापमानात वापरण्यासारखा अतिवाहक हायड्रोजन धातूमधून मिळाल्यानंतर एमआरआय स्कॅन करण्याकरिता जास्त कार्यक्षमतेचे व खर्चाला परवडण्यासारखे मशीन मिळेल. गुरू ग्रहाच्या पोटात व पृष्ठभागावरच्या वस्तुस्थितीचा अंदाज काय?

गुरू ग्रहाच्या पोटात असे हायड्रोेजन धातूच्या रूपात असण्याचे अंदाज शास्त्रज्ञ झग्गूनी बांधले. कारण गुरू ग्रहावर मोठे चुंबकीय क्षेत्र अस्तित्वात आहे. झग्गू व सिल्वेरा यांनी आणखी काही प्रयोग व निरीक्षणे केली. काही काळाने गुरू ग्रहावरची निरीक्षणे पाहून शास्त्रज्ञांनी जसे अंदाज वर्तवले होते तशीच गुरू ग्रहाची निरीक्षणे त्या प्रकल्पातून आढळले. त्यामुळे त्यांचे प्रयोग जसे अंदाज देत होते तसेच प्रत्यक्षात गुरू ग्रहाच्या पोटातले हायड्रोजन धातूंचे अस्तित्व पृष्ठभागावर परिणामघडविते, याचा प्रत्यय आला.

शास्त्रज्ञ गुरू ग्रहाला गॅसचा राक्षस समजतात हे अतिशयोक्तीचे नाही कारण तेथे कोणी पॅराशूटचा वापर केला तर त्या कोणाला कधीच जमिनीवर उतरता येणार नाही. कारण तेथे ९० टक्के हायड्रोेजन गॅस व १० टक्के हेलियमगॅस आहे. काही थोड्या प्रमाणात इतर गॅसेसदेखील आहेत. तेथे पृष्ठभागावर घन जमीन मिळत नाही व सर्वत्र गॅसेस आहेत. या गॅसवर ग्रहाच्या पोटातील अतिदाबाचा व थंड तापमानाचा परिणामहोऊन अनेक आश्चर्यकारक बदल घडतात.

गुरूच्या पोटात काय आहे, त्याविषयी शास्त्रज्ञांकडे फक्त अंदाज आहेत व आव्हानात्मक गोष्टी आढळतात. गुरुच्या पोटात हायड्रोजन धातूचे अस्तित्वदेखील आहे. या विषयावर अधिक शोध देखील लागत आहेत पण वैद्यकीय क्षेत्राकरिता, परिवहन क्षेत्राकरिता व अवकाश संशोधन क्षेत्राकरिता हा हायड्रोजन धातू मोठे कामनजीकच्या भविष्यात नक्की करेल.