Zit er waterstof in de lucht? Natuurlijke niveaus versus wat een inhalator afgeeft

Ja, de lucht die je inademt bevat waterstof, maar slechts in sporen: moleculaire waterstof (H₂) vormt op molaire basis ongeveer 0,53 parts per million van de atmosfeer. Dat betekent dat van elke twee miljoen luchtmoleculen om je heen er maar ongeveer één H₂ is (bron: Waterstof - Wikipedia). Dat aandeel is een stabiele achtergrondwaarde en schommelt niet van stad tot stad of van dag tot dag. Het ligt bovendien ver onder de gasstroom die een waterstofinhalatiemachine op verzoek kan produceren. In dit artikel zetten we die twee naast elkaar.

• Omgevingslucht bevat ongeveer 0,53 ppm moleculaire waterstof, naast andere sporengassen in de atmosfeer, zoals helium, neon, methaan en krypton.
• Dat aandeel blijft laag en neemt niet in de loop der tijd toe, omdat waterstof door zijn geringe massa sneller de ruimte in ontsnapt dan zwaardere atmosferische gassen.
• Een waterstofinhalatiemachine concentreert de waterstof die al in de kamerlucht aanwezig is niet. De machine produceert verse H₂ uit water via elektrolyse. Daarom wordt de output uitgedrukt als een debiet (ml/min) en niet als een concentratie (ppm).

Hoeveel waterstof zit er eigenlijk in de lucht die je inademt?

De atmosfeer van de aarde bestaat vrijwel geheel uit stikstof en zuurstof. Argon en koolstofdioxide vormen het grootste deel van wat daarna overblijft. Waterstof komt bij lange na niet in zulke hoeveelheden voor. Het behoort tot de kleine groep sporengassen, waartoe ook helium, neon, methaan en krypton behoren. Elk ervan is in zulke kleine hoeveelheden aanwezig dat het niet op een eenvoudige samenstellingsgrafiek wordt weergegeven (bron: Wat zit er in de lucht? - UCAR Center for Science Education). Binnen die groep sporengassen bedraagt het gemeten aandeel moleculaire waterstof ongeveer 0,53 parts per million op molaire basis. Dit cijfer is gebaseerd op gegevens over de samenstelling van de atmosfeer, niet op iets wat specifiek is voor een bepaalde locatie of weersomstandigheid (bron: Waterstof - Wikipedia).

Wat betekent ‘parts per million’ in de praktijk?

Een concentratie uitgedrukt in parts per million geeft een verhouding aan, niet een hoeveelheid die je zou kunnen verzamelen. Een half part per million betekent dat, als je op de een of andere manier elk molecuul in een monster van twee miljoen moleculen zou kunnen tellen, er daarvan maar ongeveer één H₂ zou zijn. De overige 1.999.999 moleculen zouden bestaan uit stikstof, zuurstof, argon, waterdamp en de rest van het mengsel. Die verhouding maakt de uitspraak ‘er zit waterstof in de lucht’ tegelijkertijd technisch juist en praktisch misleidend: de uitspraak maakt geen onderscheid tussen een gas dat in betekenisvolle hoeveelheden aanwezig is en een gas dat in het totale mengsel nauwelijks meer is dan een afrondingsfout.

Waarom die sporenhoeveelheid niet in de loop der tijd oploopt

Het is logisch om je af te vragen waarom een gas dat voortdurend op aarde wordt geproduceerd, onder meer door biologische processen, zich in geologische tijd niet langzaam tot een grotere hoeveelheid ophoopt. Dat heeft met massa te maken. Waterstof is het lichtste element dat er is, en door die geringe massa kunnen afzonderlijke H₂-moleculen de ontsnappingssnelheid bereiken en vanuit de bovenste atmosfeer de ruimte in drijven, veel gemakkelijker dan zwaardere gassen zoals stikstof of zuurstof dat ooit zouden kunnen (bron: Waterstof - Wikipedia). Dit is ook geen langzaam proces van ondergeschikt belang: de exosfeer van de aarde, de buitenste rand van de atmosfeer, verliest voortdurend waterstof aan de ruimte, met een snelheid van enkele kilo’s per seconde. De bovenste laag van de atmosfeer bestaat bijna volledig uit waterstof, juist omdat dit het gas is dat die ontsnapping het makkelijkst kan maken (bron: Atmosfeer van de aarde - Wikipedia).

Zet de twee processen naast elkaar en die sporenhoeveelheid wordt begrijpelijk: waterstof komt vanuit verschillende bronnen in de onderste atmosfeer terecht, ongeveer in hetzelfde tempo als waarin het de bovenste atmosfeer verlaat en de ruimte in ontsnapt. Het resultaat is een ruw evenwicht dat de concentratie in de omgevingslucht laag en stabiel houdt, in plaats van die jaar na jaar te laten stijgen. Dat verklaart ook waarom 0,53 ppm als een betrouwbare referentiewaarde in de atmosferische chemie wordt beschouwd, en niet als een momentopname die bij elke nieuwe meting moet worden bijgewerkt.

De output van een machine naast de sporenhoeveelheid in de omgevingslucht

Het atmosferische cijfer en de specificaties van een machine beschrijven twee verschillende soorten metingen. Verwarring tussen die twee is vaak waar het misgaat. Het waterstofgehalte van de omgevingslucht is een concentratie: een aandeel in een enorm, in wezen onbegrensd volume. De output van een machine is een debiet: een hoeveelheid gas die gedurende een bepaalde tijdseenheid in een specifieke, veel kleinere ruimte wordt afgegeven, of dat nu een kamer is of de slang naar een neuscanule. De Hydrion Zenith is bijvoorbeeld ontworpen rond dat tweede soort getal, met zeven instelbare outputniveaus van 300 ml/min tot 1.800 ml/min. Elk niveau is beschikbaar als zuivere H₂ of als een mengsel van H₂+O₂, geproduceerd via PEM-elektrolyse met een opgegeven waterstofzuiverheid van 99,99% (bron: productpagina).

Een ppm-waarde rechtstreeks vergelijken met een waarde in ml/min levert geen zuivere berekening op, omdat ze verschillende dingen meten. Toch is het verschil in schaal de belangrijke conclusie: de hoeveelheid waterstof in de omgevingslucht is zo klein dat je geen praktische hoeveelheid waterstof uit gewone kamerlucht kunt halen. Precies daarom proberen machines zoals deze bestaande waterstof uit de lucht niet op te vangen of te concentreren. In plaats daarvan produceren ze verse waterstof uit water via elektrolyse. Het outputniveau dat je kiest, heeft niets te maken met de hoeveelheid waterstof die toevallig al in de kamer aanwezig is.

Waarom je waterstof niet zomaar uit kamerlucht kunt filteren

Een filter of concentrator haalt een gewenst gas uit een mengsel waarin het al in een bruikbare hoeveelheid aanwezig is, zoals een zuurstofconcentrator zuurstof uit lucht haalt die al ongeveer 21% zuurstof bevat. Waterstof biedt niet zo’n uitgangspunt. Met ongeveer een half part per million zit er simpelweg niet genoeg waterstof in een bepaalde hoeveelheid lucht om die eruit te filteren in een betekenisvolle hoeveelheid. Je zou een onpraktisch grote hoeveelheid kamerlucht moeten verwerken om zelfs maar een kleine hoeveelheid terug te winnen. Ter illustratie van de schaal, en niet als veiligheidsberekening: waterstof in lucht wordt pas ontvlambaar wanneer de concentratie ongeveer 4% van het volume bedraagt (bron: Waterstofveiligheid - Wikipedia). Dat is een concentratie die tienduizenden keren hoger ligt dan de concentratie in de omgevingslucht. Het onderstreept hoe weinig ‘geconcentreerd’ gewone lucht in werkelijkheid is. De volledige berekening van kamervolume en ventilatie voor het veilig gebruiken van een machine wordt apart behandeld in hoeveel waterstof een geventileerde ruimte veilig kan bevatten, omdat die berekening afhangt van de grootte van de ruimte en de luchtstroom, niet van de sporenhoeveelheid in de omgevingslucht die hier wordt besproken.

Wat dit betekent als je waterstofinhalatie overweegt

Als je de bewering ‘er zit waterstof in de lucht’ bent tegengekomen en je je afvroeg of een machine dan misschien overbodig was, was dat een terechte vraag. Het antwoord draait simpelweg om de schaal: de lucht om je heen bevat moleculaire waterstof, maar in een concentratie die te klein is om op zichzelf als bruikbare bron te dienen. Een apparaat voor waterstofinhalatie begint op een heel andere manier: het produceert een gecontroleerde, geconcentreerde gasstroom uit water, in plaats van gebruik te maken van de sporenhoeveelheid die al in de kamer aanwezig is.

Als de chemie hier nieuw voor je is, kun je meer achtergrondinformatie vinden in wat moleculaire waterstof precies is. Voor een breder beeld van hoe een sessie verloopt en wat je kunt verwachten wanneer je begint, bespreekt een beginnersgids voor waterstofinhalatie de basis. Ben je benieuwd wat er fysiologisch gebeurt zodra waterstof wordt ingeademd, en niet alleen hoe het wordt geproduceerd? Dan sluit wat het lichaam doet met ingeademd waterstofgas precies aan op waar dit artikel eindigt. Voor een volledig overzicht van de gebruikte eenheden, waaronder het verschil tussen ml/min, LPM en PPM, behandelt de woordenlijst voor waterstofinhalatie ze stuk voor stuk.