為什麼氦如此重要?氦是150年前發現的

2020-12-05 博科園
博科園-科學科普

觀看氦氣把氣球升入空中是一件很有趣的事情——如果氣球是一個小孩的，他會把氣球放飛，這可能是一場悲劇。還有，誰沒有從氣球中吸過氦氣，然後像唐老鴨一樣嘎嘎叫呢？儘管如此，這並不是最明智的做法，因為氦會取代我們肺部的空氣（主要為氧氣），或者引起呼吸方面的其他問題。除了氣球和讓我們的聲音吱吱作響之外，氦還有什麼用呢？是否應該關心我們是否耗盡了氣態物質？

充滿氦氣的氣球緩緩地飄向天空，圖片：magicinfoto/Shutterstock

博科園-科學科普：氦是一種氣體，和人類幾乎沒有什麼共同之處，這也許並不奇怪，但我們仍然需要彼此。21世紀的經濟依賴於氦氣，氦氣需要人類想出更好的保護策略，以免我們用完所有的能源。150年前法國天文學家Jules Janssen在一次日全食中首次發現了稀有氣體——氦氣。他將氦命名為「helios」，因為當時地球上還沒有發現氦。

這種高解析度MRI圖像在沒有氦冷卻磁鐵情況下是不可能的。圖片：MriMan/Shutterstock

從那以後，關於氦的科學研究取得了無數進展；從醫學到天體物理學等學科使用的現代分析工具，更不用說我們隨身攜帶的手機了，如果沒有製造過程中使用的氦，就不可能實現。科羅拉多州立大學的一名研究科學家，工作地點位於落基山脈的山腳下，是公羊的家。在氦的幫助下，以及全世界的同行們正在進行科學發現，這些發現豐富了全球社區——所有這些都依賴於氦所提供的獨特物理特性。

地球上的氦氣是有限的

你可能還記得幾年前，當氦短缺的報告浮出水面時，以及定期報告(包括今年的一些報告)指出全球供應緊張。那麼，這場危機值得全求關注嗎？氦從一開始就存在，並在大爆炸後不久形成，氦是宇宙中第二輕也是第二常見的元素，僅次於氫。然而，地球上的氦並不多，只有百萬分之幾。問題是氦核太輕了，以至於我們地球的引力無法束縛它。氦一旦進入地球大氣層，就會逃逸到太空的真空中，從地球上消失，並隨著太陽風一起被吹走。

德克薩斯州阿馬裡洛外的聯邦氦氣項目懸崖邊氣田的粗氦濃縮裝置。圖片：US Bureau of Land Management via Wikimedia Commons

儘管氦從地球上不斷流失，氦的儲量直到最近都相當豐富。地球上大部分的氦儲備都是在大爆炸時以不同方式形成的。放射性元素，如鈾和釷衰變為更小的碎片或粒子，包括非常小的阿爾法粒子。這些粒子是被剝離的氦原子，沒有電子，光禿禿的，高能，高電荷。這种放射性元素的衰變稱為裂變，因為這種元素分裂成新的子元素，釋放出能量。這些放射性元素的衰變補充了大氣中丟失的氦，它被困在各種各樣的礦物中，並在大型自然形成的氣藏中被收集，這些氣藏是用來開採，比如德克薩斯州的國家氦儲備。然而，這一自然過程需要數千年的時間來產生大量值得商業開採的氦。

為什麼我們需要氦

氦核質量只有4 - 2個質子和2個中子，是一種非常穩定的元素。氦的一些最重要特性對於我們來說是化學惰性的，不活潑，不易燃，無毒，最重要的是，它在4.2開爾文，或負268攝氏度沸騰，接近絕對零度，這是宇宙中最低的溫度。在這種溫度下，沒有其他元素能保持液態。目前還沒有其他材料具有氦的獨特性質。對於許多工業應用來說，沒有比氦更便宜的替代品了。它在航空航天和國防技術、高科技製造、火箭發動機測試、焊接、商業潛水、粒子加速器中的磁體、光纖電纜和手機中發現的半導體晶片的生產中至關重要。

帶有惰性氣體電子管在高壓下被激發時發出不同顏色和不同強度的光，從左到右：氦、氖、氬、氪和氙。圖片：Kim Christensen/Shutterstock

然而，氦的唯一最大用途是支持醫學成像產業，特別是磁共振成像或MRI，以及高端材料分析，它們利用非常高的磁場來進行核磁共振(NMR)光譜測量。如果沒有液氦的超低沸點，這些電場就不可能產生。核磁共振和核磁共振成像設備用於人體成像的關鍵是使用穩定在4.2 K的超導材料。大多數材料都能阻礙通過它們的電子或電流的流動，這對磁體結構來說是一個問題。

我們使用的每一個電子設備，每一個送電線到牆上插座的電流，以及所有通過電阻力輸送電能的基礎設施。這種電阻使得產生需要高電流的大磁場變得困難。超導體幾乎是不可思議的，它對電子的流動沒有阻力，並且有能力產生巨大的磁場，從而實現高解析度的醫學成像。但要使超導體正常工作，必須保持在極低的溫度——這是液氦必不可少的地方。

核磁共振掃描儀是重要的醫學成像工具，這些機器產生一個巨大的磁場，只有液氦使機器內部的超導體保持低溫才有可能。圖片：ALPA PROD/Shutterstock

氦和超導體

當線圈繞在一種特殊的超導材料上，然後在液氦中冷卻到4.2 K或更低時，臨界溫度條件得到滿足，並且可以向線圈中泵入非常大的電流。迄今為止，最大的穩定磁場是由45特斯拉(即45萬高斯)混合動力車產生的，這種所謂的苦超導磁體位於美國佛羅裡達大學國家高磁場實驗室，這個磁體產生的磁場是地球磁場的150萬倍。

Karolien Denef博士和她的兒子Griffin，幫助Christopher Rithner博士將液態氦從低溫的dewar轉移到超導磁體dewar，用於核磁共振。在醫學核磁共振、核磁共振研究和粒子束中，大約三分之一的氦消耗支持高磁場磁體。圖片：Christopher Rithner, CC BY-ND

在研究中使用核磁共振技術對實驗室新材料發現的物理特性進行指紋識別。其中一些會轉化為應對全球衛生挑戰的新抗生素等藥物，而另一些則轉化為可輕易回收的「綠色」結構材料。在能源領域正在取得進展，開發小型、可攜式、高能量電池，最終可能減少對碳燃料的依賴。反過來，核磁共振需要大量的氦才能發揮作用。這在短期內不太可能改變。幸運的是，正在更好地管理地球剩餘儲量，一直在尋找新的儲量，正在學習如何在氦氣在太空中消失之前回收利用。

開始了解如何製造在更高、更容易獲得溫度下進行超導的新材料。所有這些發展都需要時間和金錢。不幸的是，回收操作需要大量的能源和燃燒煤炭。與此同時，需要繼續尋找這種寶貴資源的更多來源，並制定更好的回收策略。在這個方向上，可以通過購買更少的聚會氣球來採取個人小步驟。另一方面，這只是我們消耗氦的很小一部分，它所提供的純粹快樂是一個很小的代價。當你下次看到派對用氣球載著氦氣飛向天空時，你要考慮一下這個問題。

博科園-科學科普｜文：Christopher Rithner/Conversation

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