陳曦
氦氣之所以稀缺，一方面是由於其用途非常廣泛，另一方面是因為氦氣無法通過人工製備獲得，氦氣在空氣中的含量非常低，只有約0.000524%，從空氣中提取氦氣，成本可能比等體積的黃金還要貴，不具備工業提取價值。
據新華社報導，受到全球氦氣供應不足、氣體提價等因素影響，日本東京迪士尼最近數周，已停止出售氦氣球。迪士尼氣球限售，掀開了氦氣供應不足的冰山一角。儘管氦是宇宙中儲量第二豐富的元素，但是氦氣在地球的含量極少。有專家分析，氦氣資源可能只夠持續使用200年。
視覺中國供圖
氦氣短缺，人們要面對的不僅僅是新年慶典、生日派對裡缺少幾個氣球那麼簡單，作為開採天然氣時產生的副產品，氦氣被廣泛應用於深海潛水、低溫技術、火箭燃料，以及光纖與半導體等高科技領域。沒有氦氣，測量氣象的探空氣球、宇宙飛船都可能無法升空，更重要的是，與人們生活息息相關的安全氣囊、核磁共振都少不了這種氣體。
屬於密度很小的稀有氣體
無法人工製備只能從含氦天然氣中提取
氦氣，英文名為Helium，化學元素符號為He，是種無色無味、不可燃的氣體。充滿氦氣的氣球之所以能飄在空中，是因為氦氣是除了氫氣以外密度最小的氣體，其密度遠小於空氣，空氣的密度為1.29千克/立方米，而氦氣的密度為0.1786千克/立方米。此外，氦氣也是一種惰性氣體，其化學性質不活潑，通常狀態下不與其他元素或化合物結合，幾乎沒有固態或者液態化合物形態，所以氦一般都是以單質氣體存在，直到1908年7月10日，荷蘭物理學家昂尼斯才首次液化了氦氣。
「目前，氦氣是國防軍工和高科技產業發展不可或缺的稀有戰略性物資之一。」南開大學化學學院教授湯平平介紹說，氦氣之所以稀缺，一方面是由於其用途非常廣泛，另一方面是因為氦氣無法通過人工製備獲得，氦氣在空氣中的含量非常低，只有約0.000524%，從空氣中提取氦氣，成本可能比等體積的黃金還要貴，不具備工業提取價值。
湯平平表示，我國氦氣資源相當貧乏，礦物中氦氣的含量很低，且提取難度大，成本高。目前工業提取的氦氣，主要以含有氦的天然氣作為原料，反覆進行液化分餾，然後利用活性炭進行吸附提純，最終得到純氦。此外空分法和氫液化法也是常用的提取純氦氣的方法，這兩種提取方法都能得到99.99%的純氦氣。目前，氦氣主要通過高壓鋼瓶來實現存儲和運輸。
具有不活潑、低沸點等特性 廣泛應用於醫療、航空、電子製造領域「由於具有低密度、化學性質不活潑、液氦零下268.9攝氏度的低沸點等物理性質，氦氣被廣泛應用於軍工、石化、製冷、醫療、半導體、管道檢漏、超導實驗、金屬製造、深海潛水、高精度焊接、光電子產品生產等領域。」湯平平說。
在醫療領域，作為磁共振和核磁共振超導磁體的理想冷凍氣體，氦氣可實現零下232攝氏度的深冷溫度，可有效獲取內臟器官和組織的高解析度圖像；氦氖雷射中的氣體介質由氖氣和高純氦氣組成，可以用來進行外科手術治療弱視，也能用來活化血管進行保健。
由於化學性質不活潑，氦氣還常被作為保護氣使用。氦氣在電弧溫度條件下的惰性使其成為鋁、不鏽鋼、銅和鎂合金等高導熱性材料焊接的理想氣體，還可用作熱處理過程中的淬火氣體以及熔爐氣體，提升零件耐性和質量。
在航空航天領域，氦氣被廣泛應用於從飛機製造到飛行的整個過程；宇宙飛船太空飛行作業中，使用氦氣淨化氫氣系統，地面和飛行流體系統將其用作增壓劑。除此之外，氦氣還用作氣象和其他觀測氣球的升力源。
在汽車及運輸設備領域，氦氣應用於散熱器、換熱器、空調組件、燃料箱和變矩器等重要汽車部件的測試，以確保其符合質量規範。此外，氦氣還可與氬氣配合使用，越來越多地被用於安全氣囊的充氣操作。
在電子製造領域，氦氣在半導體、液晶面板和光纖線製造中起著重要作用，可實現零部件的快速冷卻，從而提高生產率，還能控制熱傳遞速率，以改善生產效率並減少缺陷。
氦氣短缺影響科研活動
替代物難找且回收再利用也成問題
在科研領域，氦氣更是不可或缺。「氦氣在科研中的一大用途在於製造低溫環境，液氦的低沸點，可用於超低溫冷卻。沒有了氦氣，低溫物理可能會成為人類研究的禁區。」湯平平說，超低溫冷卻技術在超導技術等研究領域有較廣泛的應用，超導材料需要在低溫（100開爾文左右）中才能表現出超導特性，大多數情況下只有液氦能比較簡便地實現這樣的極低溫，因此科研中常用的核磁共振分析儀的超導磁體需要利用液氦降溫。
除此之外，還有很多領域的科學研究離不開對氦氣的使用。比如氣相色譜必須有合適的氣體作為載氣才能正常工作，氦氣具有滲透性好、不可燃的特點，可以作為載氣應用於真空檢漏；利用氦氣化學性質不活潑的特性，科學家將其作為清洗氣體應用於原子核反應堆的冷卻、熱交換，以及濃縮鈾擴散元件在修理後的清洗，如果沒有氦氣的幫忙會影響反應堆的正常工作。
湯平平表示，與氦氣相比，其他替代物往往只具有其中某一條性質，因此無法作為氦氣的理想替代物使用，氦氣的短缺肯定會對科研造成一定的影響。比如在超導領域，還沒有更好的物質來代替液氦所能達到的低溫效果。
那麼既然氦氣如此短缺，能不能對它進行回收和再利用呢？
「氦氣是可以進行回收和再利用的。通過將使用過的氦氣重新收集起來，對其進行淨化處理，將雜質脫除，根據雜質的種類及其性質，採用適當的純化措施，使回收的氦氣，恢復初始的純淨。」但湯平平同時指出，「目前氦氣的回收和再利用也存在一些問題。」比如氦氣因為自身密度小，地球引力場拉不住它，一旦洩漏到空氣中，很快便會從大氣層逃逸，飄散到外太空，很難回收。
他表示，在保護有限氦氣資源的同時，研究開發先進的天然氣提氦技術，對於提高氦氣生產的經濟性，保障國家用氦安全和促進我國天然氣提氦工業的發展具有重要意義。
來源：科技日報
編輯：嶽靚
審核：管晶晶