金属氢在武器装备中的应用前景

□ 孔 超 韩一丁

金属氢在武器装备中的应用前景

□ 孔 超 韩一丁

2017年1月26日，哈佛大学自然科学系教授伊萨克•席尔瓦拉及其博士后研究员兰加•迪亚兹在《科学》杂志上发表论文，宣称他们用超高压制造出了世界上首个金属氢样本。这一试验结果如果被证实，意味着几十年来对氢转化为金属的探索将取得重大突破。金属氢是一种能量密度高、高储能的材料，理论上还具备常温超导性等特点，如能有效应用，将对未来武器装备的发展带来巨大影响。

金属氢的研发过程及其特性

从理论物理学家于1935年首次预测金属氢的存在以来，在实验室制备出金属氢就一直是各国科研人员的梦想。根据理论预测，在高压砧内用足够的压力挤压，氢就能获得导电性——金属态的标志。物理学家表示，金属氢可能还有其他奇异性质，如在室温下拥有超导性。

近年来，物理学家已经在高于地心压力的压力下，用金刚石压砧挤压了微量氢样本。这种实验非常精细，很容易出现错误。研究者已经在挤压过程中观察到了材料颜色从透明转变为深色的变化，这意味着电子被挤压在一起后拥有了吸收可见光光子的能力。但能反射光线、闪闪发亮的金属氢的存在还没有得到证明。

2016年，爱丁堡大学的物理学家，使用一对钻石，并施以高压来挤压氢分子，同时分析其行为。他们发现在压力相当于地球大气压的325万倍时，氢进入到固体状态，被命名为“状态五”，这时氢开始表现出一些有趣而不寻常的特性。它的分子开始分成单个原子，原子中的电子表现出金属特性。物理学家声称，他们发现的状态还只是分子分离的开始，如果想要创造出理论预测的纯原子和金属状态的氢，还需要更高的压力。

这次哈佛大学发现的金属氢，是由自然科学系教授伊萨克•席尔瓦拉及其博士后研究员兰加•迪亚兹共同完成的。他们将一块微小的固态氢样品置于495千兆帕的高压下，这一数值甚至超过了地球中心的压力值。在这一极端的外部压力下，分子氢的化学键将被打开，最终形成由氢原子为最小单位组成的晶体氢，即具有金属性质的金属氢。

金属氢具有较高的能量密度，一方面是因为金属氢的制备消耗了大量能量，如果将它转化回氢分子，其释放所蕴藏能量的量级极为巨大。另一方面，氢本身也是质量能量密度最高的燃料，这是由于氢的单位摩尔质量是所有元素中最小的，因此单位质量氢的摩尔质量是最大的，而燃烧产生的能量和摩尔质量呈正比。金属氢作为高储能物质，燃烧效率高，单位质量金属氢在燃烧时能释放出巨大的能量，可作为火箭、导弹的推进剂，也可用于制造超高能炸药。

金属氢能够保持亚稳态。当压力撤除后，亚稳态金属氢并不会马上恢复成普通氢气，如能制造出稳定的金属氢材料，将进一步加速其在武器装备中的应用进程。金属氢还具有常温超导性，因为金属氢原子间隔与电子波长长度相当，在理论上具有常温超导性质。科学家预测，金属氢可能在开氏温度160K甚至290K的高温下出现超导现象。

金属氢在武器装备中的应用

可用于制造高效的推进剂。金属氢的高能量密度对航天及导弹工业意义重大。例如，为追求更高的比冲，国内外重型火箭基本上采用的是液氢液氧的组合推进剂，因此必须把火箭做成一个很大的热水瓶似的容器，以便确保低温，造成了火箭体积较大。而金属氢的密度是液氢的7倍以上，如果使用金属氢，火箭或许就可以制造得灵巧、小型，使导弹可以装载更多的武器载荷。另外，理论上以金属氢作为燃料的火箭发动机比冲可以高达1700秒——超目前的先进水平450秒。可见，金属氢称得上是世界上已知的最强力的推进剂。

可用于制造高能炸药。如果金属氢中存储的化学能量能在短时间内全部释放出来，就会产生爆炸性的效果，这时金属氢就成为一种超高能炸药，可以作为大规模杀伤性武器使用。据理论预测，金属氢作为超高含能物质的能量密度高达218kJ/g，是TNT炸药的50倍，是综合性能最好的奥克托金HMX炸药的40倍。换句话说，金属氢的爆炸威力是现在高能炸药的4～50倍之多。

利用金属氢的高爆威力，还能研制出不需要原子弹引爆的下一代氢弹。虽然氢聚变的产物没有污染，但核聚变的条件太过苛刻，目前人类还只能使用原子弹爆炸压缩来实现。正因为如此，无论原子弹还是氢弹都会带来巨大的核污染，即使是号称相对干净的中子弹也是如此。如果可以大量制备出超高能的金属氢，使用金属氢爆炸的威力引发核聚变，那么这种氢弹在爆炸后将十分“干净”。

具备潜在的聚变应用价值。金属氢是一种亚稳态物质，可以用它来做成约束等离子体的“磁笼”，把炽热的电离气体“盛装”起来，有利于实现受控核聚变，使核能转变成电能，而这种电能将是廉价的又是干净的，在地球上就会方便地建造起一座座“模仿太阳的工厂”，进一步解决能源问题。

金属氢还是一种高效聚变燃料。例如，在激光惯性约束核聚变中，核燃料是氢的同位素氘－氚的混合物。若用固态金属氘－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，在一定容积的靶室内可装更多燃料，因而可提高核聚变的效率，产生更多的聚变能。固态金属氘－氚核聚变燃料的使用将使未来核聚变反应堆的实用化和小型化成为可能，为受控核聚变能早日进入社会生活领域和军事领域奠定物质基础。

常温超导性隐藏巨大军事应用潜力。金属氢在理论上具备常温超导性。超导材料具有极其优越的物理特性，超导体的应用将导致一场新技术革命。金属氢超导材料在军事领域的应用将是非常广泛的，如超导电磁推进系统、超导电磁炮、超导粒子束武器、大功率发动机、超导储能系统、超导计算机等。例如，由金属氢制成的超导聚能武器能把能量汇聚成极细的能束，沿着精确的方向，以接近或等于光速的速度发射出去，对目标进行杀伤；用金属氢制成的闭合线圈是一种理想的储能装置，因为只要线圈保持超导状态，它所储存的电磁能就会毫无损耗地长期保存下去，并可随时把强大的能量提供给聚能武器，超导储能装置使聚能武器如虎添翼。金属氢常温超导性如能实际验证并应用，必将带来巨大的军事技术革命。

金属氢从制造到应用的路途遥远

首先，部分科学家质疑金属氢的存在。此次哈佛科学家制造出金属氢样本，从一开始就遭受很多质疑，有科学家认为两位研究者观察到的闪亮金属到底是不是氢还不清楚。因为此次金属氢制备实验用到的金刚石砧都经过特殊处理，为了防止钻石破裂会镀一层三氧化二铝，实验中的金属态物质可能是三氧化二铝，因为三氧化二铝在高压下也可能出现不同的表现。两位科学家并没有证明三氧化二铝在这样的压力范围下不会变为纯金属态。正在大家对金属氢样本持续怀疑时，有报道称，由于操作失误，两位科学家制造的金属氢样本消失了，可能消失在位于两个金刚石之间、被用来装金属氢的金属“衬垫”内；也可能因为不稳定，在常温常压下变成了气体。

其次，金属氢的特性未得到验证。金属氢在理论上是一种亚稳态物质，能在常温下保持稳定状态，还具备常温超导性，但均未得到有效验证。哈佛科学家是通过超高压压缩得到金属氢的样本的，且仅仅是通过拍摄的照片的光泽度来判断样本的金属性。由于担心验证性实验可能会破坏宝贵的样本，两位科学家并未对金属氢的常温超导性、稳定性等特性进行进一步的测试。两位科学家还把金属氢材料保存在了低温恒温器里，未能证实在常温常压下金属氢能否存在。

最后，金属氢制造工艺困难。

哈佛科学家是通过金刚石对顶砧技术，将氢原子加压到大气压的约500万倍，才得到金属氢的样本。该加工技术所用的设备昂贵，甚至一般实验室都无力承担设备的价格，而且金属氢还只能一次做出微克级，所以离实用还有很大的距离。

总之，因为具有极大的应用潜力，金属氢历来备受科学界关注，这种全新材料的发现，绝对称得上是科技界革命性的成果。当然，金属氢的存在还需要做很多工作来完成验证，从实验室走向工业界，并在武器装备中的应用，将会有很长的路程要走。相信经过科学家的不断努力，我们终将能看到金属氢在军事中广泛的应用，并将武器装备提升到一个新的层面。（中国航天科技集团）