Onko ilmassa vetyä? Luonnollinen määrä ja laitteen tuotto

Kyllä, hengitysilmassa on vetyä, mutta vain häviävän vähän: molekyylivety (H₂) muodostaa ilmakehästä mooliosuuden perusteella noin 0,53 miljoonasosaa, mikä tarkoittaa, että jokaista ympärilläsi olevaa kahta miljoonaa ilmamolekyyliä kohti vain noin yksi on H₂-molekyyli (lähde: Vety – Wikipedia). Tämä osuus on vakaa taustataso, eikä se vaihtele kaupungista tai päivästä toiseen. Se on myös paljon pienempi kuin vetyhengityslaitteen tarvittaessa tuottama kaasun virtaus. Tätä eroa tässä artikkelissa tarkastellaan.

• Ympäröivässä ilmassa on noin 0,53 ppm molekyylivetyä. Se luetaan ilmakehän muihin hivenkaasuihin, kuten heliumiin, neoniin, metaaniin ja kryptoniin.
• Osuus pysyy pienenä eikä kasva ajan myötä, koska vedyn kevyt massa saa sen karkaamaan avaruuteen nopeammin kuin raskaammat ilmakehän kaasut.
• Vetyhengityslaite ei tiivistä huoneilmassa jo olevaa vetyä, vaan tuottaa tuoretta H₂:ta vedestä elektrolyysin avulla. Siksi sen tuotto ilmoitetaan tilavuusvirtana (ml/min) eikä pitoisuutena (ppm).

Kuinka paljon hengitysilmassa oikeastaan on vetyä?

Maapallon ilmakehä koostuu valtaosin typestä ja hapesta, ja jäljelle jäävästä osuudesta suurin osa on argonia ja hiilidioksidia. Vety ei ole lähelläkään näiden kaasujen määrää. Se kuuluu pieneen hivenkaasujen ryhmään, johon kuuluvat myös helium, neon, metaani ja kryptoni. Niitä kaikkia on niin vähän, etteivät ne näy tavallisessa ilman koostumusta kuvaavassa kaaviossa (lähde: Mitä ilmassa on? – UCAR Center for Science Education). Tässä hivenkaasujen ryhmässä molekyylivedyn mitattu osuus on mooliosuuden perusteella noin 0,53 miljoonasosaa. Luku perustuu ilmakehän koostumusta koskeviin tietoihin, ei minkään tietyn paikan tai säätilan ominaispiirteisiin (lähde: Vety – Wikipedia).

Mitä ”miljoonasosa” tarkoittaa käytännössä?

Miljoonasosina ilmoitettu pitoisuus kuvaa suhdelukua, ei määrää, jonka voisi kerätä talteen. Puoli miljoonasosaa tarkoittaa, että jos voisit jotenkin laskea kaikki molekyylit kahden miljoonan molekyylin näytteestä, niistä vain noin yksi olisi H₂-molekyyli; loput 1 999 999 olisivat typpeä, happea, argonia, vesihöyryä ja muita seoksen aineita. Tämän suhdeluvun vuoksi väite ”ilmassa on vetyä” on teknisesti totta mutta käytännössä harhaanjohtava: väitteessä ei tehdä eroa merkittävissä määrin esiintyvän kaasun ja sellaisen kaasun välillä, jonka osuus koko seoksesta on tuskin edes pyöristysvirheen verran.

Miksi tämä häviävän pieni määrä ei kasva ajan myötä?

On ymmärrettävää pohtia, miksi Maassa jatkuvasti, myös biologisten prosessien seurauksena, syntyvä kaasu ei geologisen ajan kuluessa vähitellen kerry suuremmaksi määräksi. Vastaus on massassa. Vety on kaikista alkuaineista kevyin, ja sen pieni massa saa yksittäiset H₂-molekyylit saavuttamaan pakonopeuden ja karkaamaan ilmakehän yläosista avaruuteen paljon helpommin kuin raskaammat kaasut, kuten typpi tai happi, voisivat (lähde: Vety – Wikipedia). Kyse ei myöskään ole hitaasta, vähäisestä prosessista: Maan eksosfääri eli ilmakehän uloin reuna menettää jatkuvasti vetyä avaruuteen muutaman kilogramman verran sekunnissa, ja ilmakehän ylin kerros koostuu lähes kokonaan vedystä juuri siksi, että se on kaasuista kaikkein kykenevin nousemaan ilmakehästä avaruuteen (lähde: Maan ilmakehä – Wikipedia).

Kun näitä kahta prosessia tarkastellaan rinnakkain, vedyn häviävän pieni osuus käy järkeen: vetyä tulee alempaan ilmakehään eri lähteistä suunnilleen samaa tahtia kuin sitä karkaa yläilmakehästä avaruuteen. Tuloksena on likimääräinen tasapaino, joka pitää ympäröivän ilman vetypitoisuuden pienenä ja vakaana sen sijaan, että se kasvaisi vuodesta toiseen. Tämä selittää myös sen, miksi 0,53 ppm:n lukua pidetään ilmakehän kemiassa luotettavana viitearvona eikä yksittäisenä mittaustuloksena, joka pitäisi päivittää jokaisen uuden mittauksen jälkeen.

Laitteen tuotto verrattuna ympäröivän ilman vähäiseen vetypitoisuuteen

Ilmakehän lukema ja laitteen teknisissä tiedoissa ilmoitettu luku kuvaavat kahta eri mittaustapaa, ja niiden sekoittaminen aiheuttaa paljon hämmennystä. Ympäröivän ilman vetypitoisuus on pitoisuus: osuus valtavasta, käytännössä rajattomasta tilavuudesta. Laitteen tuotto taas on tilavuusvirta: tietty määrä kaasua johdetaan tietyn ajan kuluessa tiettyyn, paljon pienempään tilaan, olipa kyse huoneesta tai nenäkanyyliin johtavasta letkusta. Esimerkiksi Hydrion Zenith on suunniteltu juuri tätä jälkimmäistä mittaustapaa ajatellen: siinä on seitsemän säädettävää tehotasoa 300 ml/min:stä aina 1 800 ml/min:iin. Jokaisella tasolla voidaan tuottaa PEM-elektrolyysillä joko puhdasta H₂:ta tai H₂+O₂-seosta. Ilmoitettu vedyn puhtaus on 99,99 % (lähde: tuotesivu).

ppm-lukeman ja ml/min-lukeman vertaaminen suoraan ei ole täsmällinen laskutoimitus, sillä niillä mitataan eri asioita. Mittakaavojen ero on silti olennainen: ympäröivän ilman vetypitoisuus on niin pieni, ettei tavallisesta huoneilmasta voisi käytännössä kerätä talteen merkittävää määrää vetyä. Juuri siksi tämänkaltaiset laitteet eivät yritä ottaa talteen tai tiivistää ilmassa jo olevaa vetyä lainkaan. Sen sijaan ne tuottavat vedyn tuoreena vedestä elektrolyysin avulla, eikä valitsemasi tuottotaso riipu mitenkään siitä, kuinka paljon vetyä huoneessa jo sattuu olemaan.

Miksi vetyä ei voi vain suodattaa huoneilmasta?

Suodatin tai väkevöintilaite toimii ottamalla halutun kaasun seoksesta, jossa sitä on jo käyttökelpoinen määrä, samalla tavoin kuin happirikastin ottaa happea ilmasta, jossa happea on jo noin 21 %. Vedyn lähtötilanne ei ole tällainen. Kun vetyä on noin puoli miljoonasosaa, sitä ei yksinkertaisesti ole tietyssä ilmamäärässä riittävästi, jotta siitä voisi suodattaa mitään merkittävää; jo pienen määrän talteen saaminen vaatisi epäkäytännöllisen suuren ilmamäärän käsittelyä. Mittakaavan havainnollistamiseksi kannattaa huomata – tämä ei ole turvallisuuslaskelma – että vety muuttuu ilmassa syttyväksi vasta, kun sen pitoisuus on noin 4 tilavuusprosenttia (lähde: Vedyn turvallisuus – Wikipedia). Pitoisuus on kymmeniätuhansia kertoja suurempi kuin ympäröivän ilman vetypitoisuus, mikä osoittaa, kuinka kaukana tavallinen ilma on ”väkevästä”. Laitteen turvalliseen käyttöön liittyvä huoneen tilavuuden ja ilmanvaihdon laskenta käsitellään erikseen artikkelissa kuinka paljon vetyä hyvin tuuletettuun huoneeseen voi turvallisesti johtaa, sillä siinä huomioidaan huoneen koko ja ilmavirtaus, ei tässä käsiteltyä ympäröivän ilman vetypitoisuutta.

Mitä tämä tarkoittaa, jos harkitset vetyhengitystä?

Jos olet törmännyt väitteeseen, että ”ilmassa on vetyä”, ja miettinyt, tarkoittaako se, ettei laitetta oikeastaan tarvita, kysymys on täysin aiheellinen. Vastaus on yksinkertaisesti mittakaavassa: ympärilläsi olevassa ilmassa on molekyylivetyä, mutta sen pitoisuus on niin pieni, ettei sitä voi käyttää sellaisenaan vetykaasun lähteenä. Vetyhengitykseen tarkoitettu laite lähtee aivan eri lähtökohdasta: se tuottaa vedestä hallitun, väkevän kaasuvirtauksen sen sijaan, että ottaisi talteen huoneessa jo ennestään olevan häviävän pienen määrän vetyä.

Jos tässä käsitelty kemia on sinulle uutta, artikkeli mitä molekyylivety oikeastaan on on hyvä paikka perehtyä taustatietoihin ennen kuin jatkat eteenpäin. Jos haluat laajemman käsityksen siitä, miten hoitokerta etenee ja mitä aloitukselta voi odottaa, aloittelijan opas vetyhengitykseen käy läpi perusteet. Jos taas haluat tietää, mitä kehossa tapahtuu fysiologisesti vedyn hengittämisen jälkeen eikä vain sitä, miten sitä tuotetaan, artikkeli mitä keho tekee hengitetylle vetykaasulle jatkaa juuri siitä, mihin tämä artikkeli päättyy. Kaikkien käytettyjen yksiköiden kattava hakuteos, jossa käsitellään myös ml/min:n, LPM:n ja PPM:n eroja, on vetyhengityksen sanasto.