为什么科学家如此担心氦耗尽?

2022/3/21 15:17:37

你知道吗?现在科学家最担心的不是氧气和氢气稀少,而是害怕氦气耗尽!当你想到元素周期表上的第二种元素氦时,你首先想到的是什么呢?是的,正是这种物质使气球上升!但是,除此之外,氦气在科学上还有一些极其重要的用途。事实上,它也存在于宇宙的各个角落,即使我们没有意识到它。但问题是,在地球上,它最终注定会耗尽。


本期内容我们就来回答这个非凡的问题:为什么科学家如此担心氦耗尽?

氦气为什么这么重要?

氦在地球上是一种奇怪的矛盾体。虽然它是整个宇宙中第二丰富的元素,与氢(最丰富的)结合形成了大约99.9%的已知物质,但氦在我们这个星球上却越来越稀少。主要原因是,目前它几乎是一种完全不可再生的资源。这里有几个问题在起作用:

首先,氦非常轻,氦原子不容易与其它原子结合。这意味着一旦氦被释放到大气中,它就会不断上升,上升,上升,直到它完全逃离地球,进入太空,永远消失。显然,如果我们依赖稳定的氦供应,这已经不是一个理想的情况了,而我们已经做到了。


其次,比较糟糕的是,新一代氦也是一个缓慢且不太可能的过程。虽然大部分远离地球的氦是在恒星内部形成的,而恒星内部的氢是核聚变产生的,但地球上存在的氦则深埋在地球表面以下。这是一种自然放射性衰变的产物,但问题是,因为产生它所需的过程可能需要数百万年的时间才能展开。所以,现在我们有了一种需要很长时间才能形成的产品,但一旦它最终被开发出来,它也会很快消失。

最后,虽然氦可以开采,如果能有效地进行开采,它的逃逸是可以防止的,但这需要一系列非常特定的地质条件:

1、触发自然放射性衰变(因此创建氦); 2、确保所产生的氦被困在地下至少足够长的时间,以便我们开采。


因此,地球上拥有丰富埋藏氦元素的地方少之又少。这种物质易挥发,需要很长时间才能形成,而且形成的条件并不常见。考虑到所有这些要求,氦的可用性在历史上一直是不可预测的,这也许就不足为奇了。


氦在医学领域的价值

但是,为什么这是一个问题呢?氦气短缺不就意味着会有更少的气球在这个地方弹跳吗?

是的,这可能意味着气球会减少,但氦气独特的物理特性意味着它不仅仅是一个噱头。在氦最有趣的固有特性中,它是第二轻的元素(仅次于氢);就像氢一样,它也不易燃;而且,可以说最重要的是,它是一种非常有效的低温流体,这意味着在液态状态下它非常冷,它具有重要的科学应用。


考虑到这一点,氦在今天的实验室和特定的实验室设备中已经成为必不可少的元素。这些冷却特性意味着液氦几乎和外太空一样冷,这在医疗保健行业是非常宝贵的,例如,它们被用于MRI机器。核磁共振成像(MRI)是通过超导线圈来工作的,超导线圈可以产生强大的磁场……但其背后的科学只有在线圈保持足够凉爽以容纳所需的电流时才有可能实现,这正是氦的来源。据估计,目前地球上使用的氦几乎有三分之一被用于世界各地医院和实验室的核磁共振成像。因此,考虑到这些机器对我们的重要性,很容易理解为什么氦短缺是一个坏消息。


氦在其它科学领域的价值

除了医疗保健,其它使用超导的著名机器,包括欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机,它以研究粒子物理学而闻名。核磁共振波谱仪(NMR)也被用来观察亚原子原子核的细节。近年来,以这种方式研究粒子变得越来越重要,科学家们可以了解更多关于粒子相互作用的原理,并发现以前未知的粒子,从而更好地了解宇宙。


但是,再一次地,这是一个依赖稳定可靠的氦供应的研究领域。由于获取氦的困难,其成本往往会波动,有时甚至严重……这给研究和医疗带来了更大的压力。在某些情况下,使用替代品是可能的,据报道,许多实验室都试图在某些任务中从氦转换到液氮。液氮更容易获得,也更便宜,尽管它不能像氦那样提供低温。因此,在不损坏昂贵设备的情况下,通常还是不适合改用液氮。

在此之前的几十年,世界一直依靠美国联邦氦储备委员会,该组织于20世纪20年代开始储备氦。但该机构在过去几年里逐渐被抛弃,于是在本世纪初结束了业务,这再次造成了巨大的不确定性。坦桑尼亚和卡塔尔等其它地区是著名的氦热点,但这些供应能在多大程度上解决(或满足)全球不断增长的需求,还有待观察。


那么,未来会是什么样子呢?

氦气需求的增长部分是由于两个依赖全球氦气储备的新兴产业组成:太空旅行和量子计算。例如,私营太空公司SpaceX已经使用氦气为其火箭提供动力;而谷歌等公司此前强调,氦气的低温特性对于维持量子计算机尖端动力所需的超导体是多么重要。与此同时,甚至在考虑到所有这些即将被提出的技术和小配件之前,氦已经被持续地用于许多更广泛应用的设备的生产,比如一些普通的电脑、手机和电视。


其它星球的氦气开发

如果我们想让我们的技术继续发挥作用,我们要么需要找到更多的氦,要么找到合适的替代品。在另一个世界里,我们可以观察太阳系以及星际空间,寻找答案。在质量足够大的行星上,包括木星和土星这样的气态巨行星,大量的氦仍被重力困在大气中。然后,我们可能会在其中一个星球停下来,给我们的氦气箱加满油,就像我们用汽油来驱动汽车一样。或者,我们也可以去拜访一下太阳,那里自然有几乎无穷无尽的新鲜聚变氦,正等着我们去消耗它。


但是,在现实世界中,这些都不是严肃的选择。在地球上,这是一个有点不寻常的状态,因此,当人类社会试图从一般的化石燃料开采中摆脱出来时,不幸的是,人们意识到,目前开采的大部分氦是大公司开采天然气的副产品。目前,世界上只有为数不多的几家专门的氦精炼厂,所以,当涉及到这种特殊元素时,哪里都没有真正为未来做好准备。

尽管近几个月来氦气市场出现了一些平衡,但一些估计表明,在未来一到三代人的时间里,这种最有价值的元素仍可能被完全耗尽。在这种情况下,尽管近几十年来我们取得了长足的进步,但科学家、研究人员、医疗专业人员、技术革新者,以及更多的人发现自己陷入了困境。


结语

氦是必要的!氦是罕见的!氦显然正在耗尽!即使是在形势好的时候,比如说,开发了一种全新的资源,在短期内解决了我们所有的问题,但最终失败的幽灵仍然笼罩着我们。而且,如果找不到解决办法,整个行业可能会面临严重的供应短缺,在整个社会造成连锁反应。医院可能面临越来越大的压力,实验室可能难以运行设备,公司可能难以维持下去。它可能不会立即影响我们大多数人的日常生活,我们大多数人可能只知道它是让气球上升的东西,但以上这些,就是为什么科学家们如此担心氦会耗尽的原因。


你认为氦消耗殆尽还会给我们带来什么影响呢?

主营产品:氧气、乙炔、氩气、氮气、二氧化碳、液氧、液氩、液氮、各种混合气体、六氟化硫,高纯气体和特种气体等

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