美物理學家稱地球25年之後或將「無氦」(組圖)

2020-12-05 搜狐網

  《飛屋環遊記》所表現的對氦氣球的濫用,前提是氦氣的價格被刻意壓低了。

  理查森對美國政府關於氦氣使用的政策提出了警告。

  布希丘是世界上最重要的氦氣儲存地點。

  氫氣球人人都玩過,或許有些人玩得還挺大的,比如《飛屋環遊記》裡的那位老大爺。不過,很多人都會誤以為氫氣球裡裝的是氫———如果真是這樣可就麻煩了,氫氣與氧氣混合後,遇火會爆炸,中學化學課本上都有提及,怎麼可能讓孩子們玩這種危險的東東呢?實際上,現在的氫氣球,填充的都是氦,元素周期表上排名第二的傢伙。

  氦實際上是一種非常重要的科研工具。更重要的是,作為一種惰性氣體,它本身很難獲取。然而,過於低廉的價格使氦被濫用了。最近,美國物理學家、諾獎得主羅伯特·理查森在接受《新科學家》雜誌專訪時發出警告:如果不立即控制對氦的濫用,25年以後科學家將無氦可用。屆時,人類在很多領域的科學探索工作將大受影響。  

【小傳】 關注氦供應的物理學家

  理查森於1954年進入今天的維吉尼亞理工大學學習。在一度的彷徨期後,他選擇了物理學,並在1965年獲得杜克大學的物理學博士學位。理查森曾經專注於核磁共振,研究液體和固體在極端低溫下的量子屬性,之後,他將所有的精力都投入於氦3的低溫研究。1972年,因為在康納爾大學的原子與固態物理學實驗室中發現了氦3的超流體屬性,理查森與另兩位科學家獲得了當年的諾貝爾物理學獎。目前,理查森任教於康納爾大學。

  不過,在近日舉行的德國林道諾貝爾獎得獎會議上,他宣布,自己將只關注於影響全球氦供應的科學政策。理查森表示,美國在氦供應的科學政策一方面讓氦儲備市場化,但另一方面其價格卻受到人為控制。這導致的過度使用氦的消費方式將使得氦氣在二十幾年中用完。

  理查森介紹說,氦是完全的惰性氣體,幾乎沒有化學屬性。這種特點使得它在帶高放射性物質的工業上有著至關重要的作用。此外,在所有的氣體中,氦氣的熱導率最高,其中子透明。這意味著它在下一代核反應堆技術上起到了相當重要的作用。在所有氣體中,氦氣的沸點最低,被大量用於大型冷卻系統,大型量子對撞機(LHC)就使用了氦氣幫助保持其低溫超導狀態。「這是我最喜歡的元素。」理查森在會議上說,「所以我用一生在研究它。」

  氦原子很輕,所以可以用在氣球上,但這也導致了它被濫用。一旦進入大氣,它很快就會進入平流層,然後逐漸遠離地球,消失在茫茫宇宙中。理查森說,最重要的氦來源於花崗巖上層的鹽丘。它們是混合天然氣體的組合部分。

  1903年,美國肯塔基州首次從天然氣田中提取出了氦氣,很快,氦氣便用於了美國軍方的飛機中,美國政府將其視為一種戰略性能源。二戰後,美國政府逐漸建起了一條和天然氣管道平行的氦氣管道,將氦氣運到一個固定的鹽丘,這個地方叫做「布希丘」(Bush Dome),這個地方和美國總統並無關係,但卻在世界氦總供應中佔有很大份額。

  理查森說,僅「布希丘」的儲備足以滿足全世界10年間的氦需求。但美國國會的一項法案卻迫使這些儲備必須在20年內賣完。氦氣因此被廉價拋售。

  以2008年全球氦消費速度推算,世界將在25年內用完所有的氦。理查森說,現在的解決方法是,保證氦的市場價格和其稀缺性一致。「我們這一代人沒有權利決定未來的氦使用。」理查森說。  

【觀點】 每個氣球都該賣100美元

  記者:我們大部分人認為氦這種氣體只不過是用來給氣球充氣,或吸入時讓聲音變得好玩而已(氦氣傳播聲音的速度約為空氣的三倍,所以吸入氦氣的人說話的聲音頻率會變高。《生活大爆炸》中的謝耳朵遭遇過這樣的惡作劇),即使氦氣供應快用完了,又有什麼要緊的?

  理查森:可以找到一些其他氣體替代氦氣,但是我們沒有什麼東西能替代液氦,在核磁共振掃描儀(MRI)中,液化氦可以讓超導磁體冷卻下來。氦的沸點比任何物質都要低。同樣,液氦也用於纖維光學和液晶顯示屏。液氦是「自給自足」的,它可以循環利用。

  記者:如果氦供應減少了,工業界肯定得花越來越多的錢購買氦了。

  理查森:不。它的價格是固定的。1925年,美國政府建立了一個國家氦儲存地(布希丘)。今天,有超過10億立方米的氦氣儲存在這處氣田中。這地方氦氣的儲量是全球氦氣儲量的一半。1996年,國會通過了一項法案,要求這塊具有戰略意義的氦儲存地在2015年前賣出,因為這項法案,氦氣被廉價售出,沒有人認為它是種珍稀資源。

  記者:一些石油公司如埃德森美孚公司投資很多,從油頁巖中提取石油,油頁巖中也可能含有氦氣,這可能拯救氦氣供應嗎?

  理查森:所謂的「(美國)東部油頁巖」的確是天然氣體的來源之一,但沒有任何跡象表明其中含有氦。相對而言,美國西部天然氣田中發現的氦的量則較大,比例達到了0.5%到2%。英國北海天然氣田和歐洲天然氣井的情況同樣如此。

  記者:所以氦氣供應的確是要用完了。但我們可以用別的東西製造氦氣,或者從空氣中提取它嗎?

  理查森:沒有什麼化學方法可以製造氦。地球上我們的氦供應來自於地球巖石中放射性的α衰變。現在還沒有任何商業上的可行方式,能從空氣中還原氦。所以,我們現在只能依賴於從巖石中提取氦。一旦這些氦用完了,我們就不得不從空氣中還原氦。那時,氦氣的價格將是現在的10000倍。

  記者:關於氦短缺的話題已經談了一段時間了,今天的情況真的這麼緊急嗎?

  理查森:歐洲有人在探討這個問題。但在美國,沒人提及此事。可美國的氦供應佔了全球氦消費的80%。現在的問題是,這些供應將在約25年內用完,而美國政府還在堅持老的政策,用荒唐之極的低價銷售氦。

  記者:那麼,美國政府該做什麼?

  理查森:政府不該插手商業活動,讓市場規律來決定價格。那樣的結果肯定是氦價格的上漲。對公眾來說這是一個壞消息,派對上用的氣球將不再是3美元一個,而是100美元,但我們不得不這麼做———最終,我們都得面對這樣的價格。  

【元素卡片】

  氦

  一種無色無味的不可燃氣體,空氣中的含量約為百萬分之五點二。化學性質完全不活潑,通常狀態下不與其他元素或化合物結合。氦氣的沸點為-268.9℃。

  1868年,法國天文學家簡森在觀察日全蝕時,曾在太陽光譜上觀察到一條黃線D,這和早已知道的鈉光譜的D1和D2兩條線不相同。同時,英國天文學家洛克耶爾也觀測到這條黃線D。當時天文學家認為這條線只有太陽才有,並且還認為是一種金屬元素。所以洛克耶爾把這個元素取名為Helium,其中的helio是太陽神的意思。

  編譯/本報記者 金煜

  本版圖片均為資料圖片

(責任編輯:李孟漪)

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