Nauka

Pożyteczny gaz

Numer 9/2020
Przykład sterowca. Przykład sterowca. Valdis Torms / Shutterstock
Najczęściej słyszymy, że hel to gaz do napełniania balonów efektownie unoszących się potem w powietrzu. Niektórzy dodają coś na temat śmiesznego głosu, który słychać, gdy ktoś chwilę nim pooddycha. I to w zasadzie tyle. Tymczasem hel to pierwiastek niezwykły i bardzo potrzebny.
Shannon Beineke/Shutterstock
Tak powstaje hel w gwiazdach.Designua/Shutterstock Tak powstaje hel w gwiazdach.
Budowa atomów wodoru i helu.Designua/Shutterstock Budowa atomów wodoru i helu.
Aparatura do rezonansu magnetycznego. Na pierwszym planie naczynie z ciekłym helem.sivVector/Shutterstock Aparatura do rezonansu magnetycznego. Na pierwszym planie naczynie z ciekłym helem.
Kontrapulsacja wewnątrzaortalna. Pulsujący balonik z helem umieszcza się tuż poniżej odejścia tętnicy podobojczykowej lewej.Wikimedia Commons Kontrapulsacja wewnątrzaortalna. Pulsujący balonik z helem umieszcza się tuż poniżej odejścia tętnicy podobojczykowej lewej.
Widmo widzialne helu z żółtą linią Janssena.Wikimedia Commons Widmo widzialne helu z żółtą linią Janssena.
Schemat ­budowy reaktora fuzyjnego.Piyorot.s/Shutterstock Schemat ­budowy reaktora fuzyjnego.
Zbiorniki z ciek­łym helem chłodzone są ciekłym azotem.Kittirat Roekburi/Shutterstock Zbiorniki z ciek­łym helem chłodzone są ciekłym azotem.
Hel to drugi pierwiastek w układzie okresowym, jego masa atomowa wynosi 4,0026.Charles Shapiro/Shutterstock Hel to drugi pierwiastek w układzie okresowym, jego masa atomowa wynosi 4,0026.

Historia helu zaczęła się wiele miliardów lat temu, gdy formował się wszechświat. Był drugim po wodorze pierwiastkiem, który tworzył się w procesie pierwotnej nukleosyntezy. Większość atomów powstała w ciągu pierwszych 3 min po Wielkim Wybuchu. Hel stanowi ok. 24% masy wszechświata, ale jeśli weźmie się pod uwagę liczbę atomów, jest go tylko ok. 8%, podczas gdy wodór stanowi 92%. Jądra helu – znane też pod nazwą cząstek alfa – powstają w ramach cyklu protonowego, gdy z czterech protonów (jąder wodoru) powstaje niezwykle stabilne jądro 4He, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Do zainicjowania tej reakcji potrzebna jest niezwykle wysoka temperatura, rzędu milionów stopni Celsjusza. Gdybyśmy porównali masę czterech protonów z masą jądra helu, okazałoby się, że 0,7% masy „zniknęło”. Tak naprawdę zostaje ona przekształcona w energię zgodnie ze wzorem Einsteina E=mc2. Możemy więc powiedzieć, że właśnie dzięki temu procesowi możliwe jest istnienie życia na Ziemi.

Hel odkryto najpierw na Słońcu, a dopiero potem zaobserwowano go na Ziemi. W połowie XIX w. francuski astronom Jules Janssen znalazł w widmie słonecznym nieznaną wcześniej żółtą linię emisyjną, którą pierwotnie przypisano do sodu. Po dokładniejszych badaniach okazało się jednak, że pochodzi ona od niestwierdzonego do tej pory na Ziemi pierwiastka, co było wówczas wielkim zaskoczeniem. Nazwano go helem, od greckiej nazwy Słońca. Dopiero kilkadziesiąt lat później szkocki chemik William Ramsay wyizolował hel z kleweitu, rudy uranowej. Dziś wiemy, że hel jest wszechobecny. Jego śladowe ilości możemy znaleźć nawet we krwi, ale ze względu na jego obojętność chemiczną nie odgrywa on żadnej roli w metabolizmie.

Hel na ziemi

Można uznać za swoisty paradoks, że chociaż w kosmosie istnieją gigantyczne ilości helu, na Ziemi należy on do dość rzadkich pierwiastków. W naszej atmosferze stanowi zaledwie 5,2 ppm (części na milion – objętościowo) i w dodatku ten wyjątkowo lekki gaz cały czas ulatuje z niej w przestrzeń kosmiczną. Na szczęście jego zawartość jest stale uzupełniana. Nowe jądra helu docierają do atmosfery razem z promieniowaniem kosmicznym, ale główne jego źródło stanowi naturalny rozpad promieniotwórczy ciężkich jąder atomowych takich jak uran i tor. Procesy te przebiegają w skorupie ziemskiej, a powstający hel, dyfundując powoli przez skały, trafia najczęściej w miejsca, gdzie gromadzi się gaz ziemny. Zwykle znajduje się go tam niewiele, poniżej 1%, ale zdarza się, że jego zawartość wynosi nawet 8%. I to właśnie gaz ziemny jest głównym źródłem przemysłowego helu i można powiedzieć, że hel stanowi najcenniejsze zanieczyszczenie tego surowca. Uważa się, że wydzielanie pierwiastka staje się opłacalne dopiero w sytuacji, gdy jego zawartość w gazie przekracza 0,3%.

Hel z gazu ziemnego wydziela się zwykle metodą kriogeniczną. Gaz zostaje najpierw schłodzony do temperatury poniżej –160°C, dzięki czemu skrapla się większość składników (w tym wszystkie związki organiczne) poza helem i azotem. Ostatnim usuwanym pierwiastkiem jest argon, co wymaga już temperatury –250°C. Przy –268°C otrzymujemy ciekły hel. Znacznie mniejsze ilości tego pierwiastka uzyskuje się poprzez destylację frakcyjną powietrza, ale nie jest to po prostu zbyt ekonomiczne. Warto wiedzieć, że drugą na świecie (po USA) instalację pozyskiwania tego cennego pierwiastka z gazu ziemnego uruchomiono w latach 70. XX w. w Polsce, a konkretnie w Odolanowie (Wielkopolska). Produkujemy obecnie ok. 3 mln m3 rocznie, z czego ponad 2/3 trafia na eksport. Instalacja oczyszczająca hel przetwarza też koncentrat helowy otrzymywany w kilku innych miejscach w Polsce.

Niezwykłe właściwości

Hel to naprawdę osobliwy pierwiastek. To, że jest bardzo lekki (czyli ma niewielką gęstość), nie jest takie zaskakujące – wynika to wprost z jego niewielkiej masy atomowej oraz tego, że podobnie jak wszystkie gazy szlachetne nie tworzy cząsteczek dwu- i wieloatomowych. Ze względu na niepalność już dawno zaczął być wykorzystywany do napełniania aerostatów takich jak sterowce. Co prawda, jego siła nośna jest o połowę mniejsza niż wodoru, ale spektakularna katastrofa wypełnionego palnym wodorem największego sterowca świata „Hindenburg” w maju 1937 r. ostatecznie przekonała konstruktorów do używania helu jako gazu nośnego.

Wspominałem już o dziwnym głosie, którym mówimy po tym, gdy przez jakiś czas pooddychamy helem. Zjawisko to ma proste wyjaśnienie – prędkość rozchodzenia się dźwięku w tym gazie jest mniej więcej trzykrotnie większa niż w powietrzu, na co wpływa ich inna gęstość (mniejsza w przypadku helu). Chciałbym jednak uprzedzić przed zbyt długim wdychaniem helu do płuc, ponieważ może to spowodować niedobór tlenu niezbędnego do życia.

Pierwszym naukowcem, który w 1908 r. skroplił hel, był holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes. Pozwoliło mu to niejako przy okazji na odkrycie w 1911 r. zjawiska nadprzewodnictwa, ponieważ w temperaturze ciekłego helu wiele przewodników traci zupełnie opór elektryczny. Ale to nie koniec zaskakujących właściwości helu. Kolejnym jest nadciekłość, odkryta przez Piotra Kapicę w 1937 r. Zjawisko to polega na całkowitym zaniku lepkości, co możemy obserwować, gdy ciekły hel ochłodzi się do temperatury –271°C (2,17 K). Jeśli tak zimny ciekły hel zostanie wpuszczony w obieg zamknięty, będzie samoistnie krążył w nim w sposób ciągły. Co więcej, próbka helu pozostawiona w otwartym naczyniu będzie samoistnie tworzyć cienką warstwę na ściance i „wypełzać” z naczynia. Nadciekłość wywołują bardzo specyficzne właściwości kwantowe. No i jeszcze jedno – hel jest jedynym pierwiastkiem, którego pod normalnym ciśnieniem nie da się przeprowadzić w stan stały.

Pożyteczny pierwiastek

Ciekłego helu przeważnie używa się do chłodzenia wszędzie tam, gdzie niezbędne staje się uzyskanie ekstremalnie niskich temperatur. Wielki Zderzacz Hadronów w ośrodku CERN (Szwajcaria/Francja) zużywa niemal 100 t ciekłego helu-4 do chłodzenia niobowo-tytanowych magnesów nadprzewodzących. W tym przypadku wykorzystywany jest fakt, że hel wykazuje doskonałą przewodność cieplną (400 razy większą niż srebro). Ale zderzacz to jedna z setek tysięcy aparatur, które wymagają ciekłego helu – choć w wielu wypadkach nawet nie zdajemy sobie z tego sprawy. Każdy, kto choć raz miał robione badanie metodą rezonansu magnetycznego, zawdzięcza diagnostykę właśnie jemu. Aparatura MRI (rezonans magnetyczny) wymaga obecności silnych magnesów nadprzewodzących, a one z kolei muszą być chłodzone. Są to takie miniaturki magnesów występujących w zderzaczu. Hel krąży tam w obiegu zamkniętym, ale wymaga stałego uzupełniania, a czasem wymiany. Dopóki więc nie opanujemy produkcji efektywnych nadprzewodników wysokotemperaturowych, co raczej nie nastąpi zbyt szybko, będziemy zależni od tego cennego pierwiastka.

Hel od jakiegoś czasu odgrywa też istotną rolę w ratowaniu wcześniaków. Dzieci urodzone przed czasem mają nie do końca wykształcone płuca, wskutek czego bardzo często występuje u nich tzw. zespół zaburzeń oddychania. I właśnie w takich przypadkach do akcji wkracza hel, a właściwie heliox, czyli mieszanina zawierająca 21% tlenu i 79% helu. Podawanie takiej mieszanki stanowi zdecydowanie lepszy wybór niż zasilanie respiratora powietrzem. Wynika to z o wiele mniejszej gęstości gazu, co w przypadku słabo rozprężających się płuc jest wyjątkowo korzystne. Badania (jedne z pierwszych były wykonywane na uczelniach medycznych w Polsce) pokazały, że tak wentylowane wcześniaki szybciej dochodzą do zdrowia niż dzieci, którym podawano do oddychania wspomaganego powietrze, a wskaźniki utlenowania krwi wykazują istotną poprawę.

Heliox stosuje się też w przypadku pacjentów z astmą oskrzelową czy przewlekłą obturacyjną chorobą płuc (POChP). Jednym z bardziej wyrafinowanych zastosowań medycznych helu jest kontrapulsacja wewnątrzaortalna (IABP) – metoda wspomagania krążenia u pacjentów kardiologicznych. Polega ona na wprowadzeniu przez tętnicę udową do aorty zstępującej niewielkiego balonika, który następnie jest naprzemiennie napełniany i opróżniany. Rytm napełniania–opróżniania podlega automatycznemu sterowaniu – następuje tutaj synchronizacja z zapisem EKG. Gaz roboczy stanowi w tym przypadku najczęściej hel (niekiedy argon).

Zalety helu doceniają także nurkowie. Ze względu na niską gęstość mamy tu do czynienia z małymi oporami oddechowymi, co jest szczególnie istotne przy nurkowaniu na dużych głębokościach. Poza tym wykazuje on znacznie mniejsze działanie narkotyczne niż azot. Dlatego najczęściej stosuje się mieszankę tlen-azot-hel, znaną jako trimix. Bardzo istotną sprawę stanowi dobór odpowiedniego składu procentowego mieszanki – nurkowanie na trimiksie jest tylko dla bardzo doświadczonych nurków. Warto jednak wiedzieć, że hel czasami może oddziaływać negatywnie na organizm nurka, wywołując HPNS – zespół neurologiczny wysokich ciśnień, spowodowany pobudzeniem centralnego układu nerwowego.

Hel-3 – detekcja, diagnostyka i marzenia o czystej energii

Jądro podstawowego izotopu helu-4 zawiera dwa protony i dwa neutrony. Istnieje też inny izotop z tylko jednym neutronem. Nazywamy go helem-3. Istnieje go zdecydowanie mniej niż izotopu 4He, ale ma wiele niesamowicie istotnych zastosowań. Najbardziej znanym i najszerzej rozpowszechnionym jest detekcja neutronów. Jądro helu-3, w które trafi neutron (n), ulega reakcji jądrowej, dając jądro trytu (czyli najcięższego izotopu wodoru, 3H), będącego izotopem promieniotwórczym. Pozostaje więc tylko wykrycie emitowanego promieniowania gamma za pomocą licznika Geigera albo tzw. licznika proporcjonalnego.

n + 3He ® 3H + 1H + 0,764 MeV

Detektory neutronów zawierające hel-3 pozwalają na efektywne wykrywanie niebezpiecznych pierwiastków promieniotwórczych, służących m.in. do konstrukcji broni jądrowej, takich jak pluton. Dzięki zastosowaniu tego typu sprzętu możliwa staje się detekcja tzw. bomb walizkowych.

Izotop ten znalazł też zastosowanie w diagnostyce medycznej. Odpowiednio spolaryzowany optycznie hel-3 zostaje dostarczony do płuc, po czym wykonuje się rezonans magnetyczny (MRI). Uzyskany obraz jest znacznie dokładniejszy niż w przypadku zwykłego rezonansu czy tomografii.

Ale największe nadzieje budzi zastosowanie helu-3 w energetyce. Tutaj znowu chcemy w jakimś stopniu naśladować naturę, a konkretnie: procesy zachodzące w gwiazdach. W tym przypadku proponuje się wykorzystanie reakcji pomiędzy jądrem deuteru (ciężki izotop wodoru zawierający jeden proton i jeden neutron) i jądrem helu-3. W procesie tym powstają stabilne jądro helu-4 oraz proton. Jest to klasyczny przykład fuzji jądrowej, a więc reakcji wymagającej do inicjacji olbrzymiego nakładu energii. Kiedy jednak uda się zapalić helowo-deuterowe słońce, będziemy mieli naprawdę źródło czystej energii, ponieważ w wyniku fuzji nie powstają niebezpieczne odpady promieniotwórcze.

Konstrukcje reaktorów fuzyjnych są rozwijane na całym świecie. Pracują nad nimi Amerykanie (National Ignition Facility, Kalifornia), Chińczycy (EAST – Experimental Advanced Superconducting Tokamak), Niemcy (Wendelstein 7-X) jak też Europa jako zespół instytucji naukowych (ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor, Francja). To jeden problem do rozwiązania, ale trzeba już myśleć o drugim – paliwie. Zasoby helu-3 na Ziemi są bardzo ograniczone. Dlatego coraz częściej spogląda się w stronę kosmosu. Już w 1986 r. Gerald Kulcinski, profesor inżynierii nuklearnej z USA, zaproponował wydobycie helu-3 z regolitu księżycowego. Pomysł powstał na bazie analizy próbek skał księżycowych przywiezionych przez misje Apollo. Okazało się, że zawartość helu-3 w tych skałach sugeruje, że warto pokusić się o stworzenie kopalni tego surowca na Księżycu i sprowadzać go na Ziemię. Nadal jednak nie wiadomo, czy tego typu operacja będzie opłacalna – szacuje się, że do uzyskania 1 t helu-3 trzeba by przerobić 100 mln t regolitu. Wizjonerzy jeszcze bardziej optymistyczni niż Kulcinski proponują, aby po hel-3 udać się tam, gdzie jest go znacznie więcej – na gazowe olbrzymy, np. Jowisza. Ale to melodia przyszłości – na razie nie ma nawet projektów rakiet, które mogłyby wystartować z Jowisza.

***

Hel w twardych dyskach

Jedno z najnowszych zastosowań helu dotyczy sprzętu, który zna każdy z nas – twardych dysków (HDD). Większość urządzeń tego typu zawiera w środku powietrze. Od kilku lat można spotkać dyski wypełnione helem. Skąd ten pomysł? Okazuje się, że szybko obracające się wewnątrz HDD dyski wymagają znacznie mniej energii wtedy, gdy zamiast powietrza mamy w środku hel. Ponadto pojedyncze dyski mogą być cieńsze, a urządzenie emituje mniej hałasu. Ponieważ jednak hel potrafi dyfundować przez rozmaite materiały, dobrych kilka lat zajęło stworzenie odpowiedniego uszczelnienia HDD. Firma Western Digital chwali się helowym dyskiem o pojemności 12 TB, który ma o 50% większą gęstość zapisu, a jednocześnie pobiera połowę energii w porównaniu z dyskiem klasycznym. Jest on już powszechnie dostępny na rynku i służy jako typowy dysk serwerowy. Oczywiście helowe HDD są droższe niż zwykłe, ale taka jest cena nowości.

01.09.2020 Numer 9/2020
Reklama

Czytaj także

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną