Van hidrogén a levegőben? Természetes szintje és a gép kibocsátása

Igen, a belélegzett levegőben van hidrogén, de csak nyomokban: a molekuláris hidrogén (H₂) moláris alapon a légkör nagyjából 0,53 milliomod részét teszi ki, vagyis a körülötted lévő kétmillió levegőmolekula közül csak körülbelül egy H₂ (forrás: Hidrogén – Wikipédia). Ez az arány állandó háttérérték, nem változik városról városra vagy napról napra, és jóval alacsonyabb annál a gázáramlásnál, amelyet egy hidrogén inhalációs gép igény szerint képes előállítani. A cikk ezt a különbséget járja körül.

• A környezeti levegő körülbelül 0,53 ppm molekuláris hidrogént tartalmaz, amely a légkör egyéb nyomgázaival, például a héliummal, a neonnal, a metánnal és a kriptonnal együtt van jelen.
• Ez az arány nem növekszik idővel, hanem alacsony marad, mert a hidrogén kis tömege miatt gyorsabban szökik ki a világűrbe, mint a nehezebb légköri gázok.
• A hidrogén inhalációs gép nem a szoba levegőjében már jelen lévő hidrogént sűríti be, hanem elektrolízissel friss H₂-t állít elő vízből. Ezért a kibocsátását áramlási sebességben (ml/perc), nem pedig koncentrációban (ppm) adják meg.

Mennyi hidrogén van valójában a belélegzett levegőben?

A Föld légkörének túlnyomó részét nitrogén és oxigén alkotja, a fennmaradó rész nagy részét pedig argon és szén-dioxid teszi ki. A hidrogén mennyisége meg sem közelíti ezeket. A nyomgázok kis csoportjába tartozik, amelybe a hélium, a neon, a metán és a kripton is beletartozik; mindegyikük olyan kis mennyiségben van jelen, hogy egy alapvető összetételi ábrán nem is tüntetik fel őket (forrás: Mi van a levegőben? – UCAR Tudományos Oktatási Központ). E nyomgázok között a molekuláris hidrogén mért aránya moláris alapon körülbelül 0,53 milliomod rész. Ez az érték a légkör összetételére vonatkozó adatokon alapul, nem pedig egy adott helyhez vagy időjárási helyzethez kapcsolódik (forrás: Hidrogén – Wikipédia).

Mit jelent a „milliomod rész” a gyakorlatban?

A milliomod részben kifejezett koncentráció arányt jelöl, nem pedig olyan mennyiséget, amelyet össze lehetne gyűjteni. A fél milliomod rész azt jelenti, hogy ha valahogy meg tudnád számolni egy kétmilliós mintában az összes molekulát, közülük csak körülbelül egy lenne H₂; a másik 1 999 999 nitrogén, oxigén, argon, vízgőz és a keverék többi összetevője lenne. Ez az arány teszi egyszerre technikailag igazzá és a gyakorlatban félrevezetővé azt az állítást, hogy „van hidrogén a levegőben”: az állítás nem tesz különbséget az érdemi mennyiségben jelen lévő gáz és aközött, amely a teljes keverékben alig több egy kerekítési hibánál.

Miért nem halmozódik fel idővel ez a nyomnyi mennyiség?

Jogos a kérdés, hogy egy Földön folyamatosan, többek között biológiai folyamatok révén is keletkező gáz miért nem halmozódik fel lassan, és éri el a geológiai időskálán a nagyobb mennyiséget. A válasz a tömegben rejlik. A hidrogén a legkönnyebb elem, és kis tömege lehetővé teszi, hogy az egyes H₂-molekulák elérjék a szökési sebességet, majd a felső légkörből a világűrbe távozzanak. Erre sokkal könnyebben képesek, mint a nehezebb gázok, például a nitrogén vagy az oxigén (forrás: Hidrogén – Wikipédia). Ez ráadásul nem lassú, elhanyagolható folyamat: a Föld exoszférája, a légkör legkülső rétege, másodpercenként néhány kilogramm hidrogént veszít a világűrbe, és a légkör legfelső rétege szinte teljes egészében hidrogénből áll, éppen azért, mert ez a gáz tud a legkönnyebben kijutni onnan (forrás: A Föld légköre – Wikipédia).

Ha egymás mellé tesszük a két folyamatot, érthetővé válik a nyomnyi mennyiség: különböző forrásokból nagyjából olyan ütemben kerül hidrogén az alsó légkörbe, ahogyan a felső légkörből távozik a világűrbe. Az eredmény egy hozzávetőleges egyensúly, amely alacsonyan és stabilan tartja a környezeti koncentrációt, ahelyett, hogy az évről évre növekedne. Ez azt is megmagyarázza, miért kezelik a 0,53 ppm-es értéket megbízható viszonyítási alapként a légköri kémiában, nem pedig olyan pillanatfelvételként, amelyet minden új mérés után frissíteni kell.

A gép kibocsátása a levegőben lévő nyomnyi mennyiséghez képest

A légköri érték és a gép műszaki adatlapján szereplő szám két különböző mérési módot ír le, és a félreértések nagy része abból ered, hogy összekeverik őket. A környezeti levegő hidrogéntartalma koncentráció: egy óriási, gyakorlatilag korlátlan térfogat egy része. A gép kibocsátása áramlási sebesség: egy adott mennyiségű gáz, amely egy meghatározott időegység alatt egy konkrét, jóval kisebb térbe jut, legyen az egy szoba vagy az orrkanülhöz vezető cső. A Hydrion Zenith például erre a második értékre épül: hét állítható kibocsátási fokozata van, 300 ml/perctől egészen 1 800 ml/percig. Mindegyik fokozat tiszta H₂-ként vagy kevert H₂+O₂-elegyként is választható; a gép PEM-elektrolízissel állítja elő a gázt, a megadott hidrogéntisztaság pedig 99,99% (forrás: termékoldal).

A ppm-értéket és az ml/percben megadott értéket nem lehet közvetlenül összehasonlítani, mert mást mérnek. A léptékbeli különbség azonban így is hasznos tanulság: a levegőben lévő hidrogén nyomnyi mennyisége annyira csekély, hogy a szokásos szobalevegőből gyakorlatilag nem lehet hidrogént kinyerni. Éppen ezért az ilyen gépek meg sem próbálják felfogni vagy besűríteni a levegőben már jelen lévő hidrogént. Ehelyett elektrolízissel frissen, vízből állítják elő, és a kiválasztott kibocsátási fokozatnak semmi köze ahhoz, hogy éppen mennyi hidrogén lebeg a szobában.

Miért nem lehet egyszerűen kiszűrni a hidrogént a szoba levegőjéből?

A szűrő vagy a koncentrátor úgy működik, hogy kinyer egy kívánt gázt egy olyan keverékből, amelyben már használható mennyiségben jelen van – ahogyan az oxigénkoncentrátor is a levegőből vonja ki az oxigént, amelynek eleve körülbelül 21%-a oxigén. A hidrogén esetében nincs meg ez a kiindulási alap. Körülbelül fél milliomod részes arány mellett egyszerűen nincs elegendő hidrogén egy adott levegőtérfogatban ahhoz, hogy érdemi mennyiséget lehessen kiszűrni belőle; még egy kis mennyiség kinyeréséhez is életszerűtlenül nagy térfogatú szobalevegőt kellene feldolgozni. Kizárólag a lépték érzékeltetésére – nem biztonsági számításként – érdemes megjegyezni, hogy a levegőben lévő hidrogén csak akkor válik gyúlékonnyá, ha térfogataránya eléri a körülbelül 4%-ot (forrás: Hidrogénbiztonság – Wikipédia). Ez a koncentráció több tízezerszerese a levegőben lévő nyomnyi mennyiségnek, ami jól érzékelteti, milyen távol áll a szokásos levegő a „koncentrált” állapottól. A gép biztonságos működtetéséhez szükséges teljes számításokat a szoba térfogatáról és szellőzéséről külön tárgyalja az arról szóló útmutató, hogy mennyi hidrogén tartható biztonságosan egy szellőztetett helyiségben, mivel az a számítás a szoba méretétől és a légáramlástól függ, nem pedig az itt tárgyalt, levegőben lévő nyomnyi mennyiségtől.

Mit jelent ez, ha hidrogéninhalációt fontolgatsz?

Ha találkoztál azzal az állítással, hogy „van hidrogén a levegőben”, és azon tűnődtél, vajon ez azt jelenti-e, hogy nincs is szükség gépre, jogos volt a kérdésed. A válasz egyszerűen a léptékben rejlik: a körülötted lévő levegő tartalmaz molekuláris hidrogént, de olyan kis koncentrációban, hogy önmagában nem használható forrásként. A hidrogéninhalációra készült készülék egészen más kiindulási alapból dolgozik: szabályozott, koncentrált gázáramlást állít elő vízből, ahelyett, hogy a szobában már jelen lévő nyomnyi mennyiséget hasznosítaná.

Ha még nem ismered az itt tárgyalt kémiát, a molekuláris hidrogén mibenlétéről szóló cikk jó kiindulópont, hogy megismerd az alapokat, mielőtt tovább olvasnál. Ha átfogóbb képet szeretnél arról, hogyan zajlik egy alkalom, és mire számíthatsz a kezdéskor, a hidrogéninhaláció kezdőknek szóló útmutatója végigveszi az alapokat. Ha pedig arra vagy kíváncsi, mi történik élettanilag a hidrogén belélegzése után, nem csupán arra, hogyan állítják elő, arról, hogy mit tesz a szervezet a belélegzett hidrogéngázzal éppen ott folytatja, ahol ez a cikk véget ér. Az érintett mértékegységek részletes ismertetését, beleértve az ml/perc, az LPM és a PPM közötti különbséget is, a hidrogéninhalációs fogalomtárban találod.