Helyum neden bu kadar önemli? Helyum 150 yıl önce keşfedildi
Helyumun balonu havaya kaldırmasını izlemek çok ilginç bir şey - eğer balon çocuksa balonun uçmasına izin verecek ki bu bir trajedi olabilir. Ayrıca kim bir balondan helyum çekip Donald Duck gibi şarlatan olmadı? Yine de, bu en mantıklı yaklaşım değildir, çünkü helyum ciğerlerimizdeki havanın (esas olarak oksijenin) yerini alacak veya başka solunum problemlerine neden olacaktır. Balonlardan başka helyumun ne faydası var ve sesimizi gıcırdatıyor? Gaz halindeki maddemizin bitip bitmediğini önemsemeli miyiz?
Helyum dolu balon yavaşça gökyüzüne doğru süzülüyor, fotoğraf: magicinfoto / Shutterstock
Boko Park-Bilim Popülerleştirme: Helyum, insanlarla çok az ortak noktası olan bir gazdır, bu şaşırtıcı olmayabilir, ancak yine de birbirimize ihtiyacımız var. 21. yüzyılın ekonomisi helyuma dayanır Helyum, enerjimizin bitmesini önlemek için insanların daha iyi koruma stratejileri geliştirmesini gerektirir. 150 yıl önce, Fransız gökbilimci Jules Janssen nadir bulunan gaz helyumunu tam bir güneş tutulmasında keşfetti. O sırada dünyada helyum bulunmadığı için helyuma "helios" adını verdi.
Bu yüksek çözünürlüklü MRI görüntüsü, helyum soğutma mıknatısları olmadan imkansızdır. Fotoğraf: MriMan / Shutterstock
O zamandan beri helyum üzerine bilimsel araştırmalarda sayısız ilerleme kaydedildi; tıptan astrofiziğe kadar çeşitli disiplinlerde kullanılan modern analitik araçlar, yanımızda taşıdığımız cep telefonlarından bahsetmiyorum bile, üretim sürecinde kullanılan helyum olmadan imkansız olurdu başarmak. Rocky Dağları'nın eteklerinde çalışan Colorado Eyalet Üniversitesi'nde çalışan bir araştırma bilimcisi, koçların evi. Helyum ve dünyanın dört bir yanındaki meslektaşların yardımıyla bilimsel keşifler yapan bu keşifler, helyumun sağladığı benzersiz fiziksel özelliklere bağlı olan küresel topluluğu zenginleştirdi.
Yeryüzündeki helyum sınırlıdır
Birkaç yıl önce, helyum kıtlığı raporlarının ortaya çıktığını ve düzenli raporların (bu yıl bazı raporlar da dahil olmak üzere) küresel arzın kısıtlı olduğuna işaret ettiğini hatırlayabilirsiniz. Öyleyse, bu kriz tüm dikkate değer mi? Helyum başlangıcından beri var olmuştur ve Büyük Patlamadan kısa bir süre sonra oluşmuştur.Helyum, evrendeki en hafif ikinci ve en yaygın ikinci elementtir, yalnızca hidrojenden sonra ikinci elementtir. Ancak yeryüzünde çok fazla helyum yok, milyonda sadece birkaç parça. Sorun şu ki, helyum çekirdeği o kadar hafif ki gezegenimizin yerçekimi onu engelleyemiyor. Helyum dünya atmosferine girdiğinde, uzay boşluğuna kaçacak, yeryüzünden kaybolacak ve güneş rüzgârıyla uçup gidecek.
Teksas, Amarillo'nun dışındaki Federal Helyum Projesi'nin uçurum kenarındaki gaz sahasındaki ham helyum zenginleştirme ünitesi. Resim: ABD Arazi Yönetim Bürosu, Wikimedia Commons aracılığıyla
Dünyadan sürekli helyum kaybına rağmen, helyum rezervleri yakın zamana kadar oldukça boldu. Dünya üzerindeki helyum rezervlerinin çoğu Büyük Patlama sırasında farklı şekillerde oluşmuştur. Uranyum ve toryum gibi radyoaktif elementler, çok küçük alfa parçacıkları dahil olmak üzere daha küçük parçalara veya parçacıklara bozunur. Bu parçacıklar sıyrılmış helyum atomlarıdır, elektron içermez, çıplak, yüksek enerjili, yüksek yüklüdür. Bu radyoaktif elementin bozunmasına fisyon adı verilir, çünkü bu element yeni alt elementlere bölünerek enerji açığa çıkarır. Bu radyoaktif elementlerin bozunması atmosferde kaybolan helyumu yeniler. Çeşitli minerallerde hapsolur ve Texas gibi madencilik için kullanılan büyük doğal olarak oluşturulmuş gaz rezervuarlarında toplanır. Eyaletin ulusal helyum rezervi. Bununla birlikte, bu doğal sürecin ticari kullanıma değer büyük miktarlarda helyum üretmesi binlerce yıl alır.
Neden helyuma ihtiyacımız var
Helyum çekirdeğinin kütlesi sadece 4-2 proton ve 2 nötron olup, çok kararlı bir elementtir. Helyumun en önemli özelliklerinden bazıları kimyasal olarak bizim için inerttir, inaktiftir, yanmaz, toksik değildir ve en önemlisi, evrendeki en düşük olan mutlak sıfıra yakın olan 4,2 Kelvin veya eksi 268 santigrat derecede kaynar. sıcaklık. Bu sıcaklıkta başka hiçbir element sıvı kalamaz. Başka hiçbir malzeme helyumun benzersiz özelliklerine sahip değildir. Birçok endüstriyel uygulama için helyuma daha ucuz bir alternatif yoktur. Havacılık ve savunma teknolojisi, yüksek teknoloji üretimi, roket motoru testi, kaynak, ticari dalış, parçacık hızlandırıcılardaki mıknatıslar, fiber optik kablolar ve cep telefonlarında bulunan yarı iletken yongaların üretiminde çok önemlidir.
İnert gazlı elektron tüpü, yüksek basınç altında uyarıldığında soldan sağa farklı renklerde ve farklı yoğunluklarda ışık yayar: helyum, neon, argon, kripton ve ksenon. Fotoğraf: Kim Christensen / Shutterstock
Bununla birlikte, helyumun en büyük tek kullanımı, tıbbi görüntüleme endüstrisini, özellikle manyetik rezonans görüntüleme veya MRI ve nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi için çok yüksek manyetik alanlar kullanan ileri teknoloji malzeme analizini desteklemektir. Sıvı helyumun ultra düşük kaynama noktası olmadan, bu elektrik alanları mümkün olamazdı. İnsan görüntülemesi için nükleer manyetik rezonans ve nükleer manyetik rezonans görüntüleme ekipmanı kullanmanın anahtarı, 4,2 K'da stabilize edilmiş süper iletken malzemeler kullanmaktır. Çoğu malzeme elektronların veya elektrik akımının içlerinden akışını engelleyebilir, bu da mıknatıs yapısı için bir problemdir.
Kullandığımız her elektronik cihaz, telden duvar prizine gönderilen her elektrik akımı ve direnci kuvvetle elektrik ileten tüm altyapı. Bu direnç, yüksek akımlar gerektiren büyük manyetik alanlar oluşturmayı zorlaştırır. Süperiletkenler neredeyse inanılmazdır, elektron akışına karşı dirençleri yoktur ve yüksek çözünürlüklü tıbbi görüntüleme elde etmek için devasa manyetik alanlar üretme kabiliyetine sahiptirler. Ancak süper iletkenin düzgün çalışması için çok düşük bir sıcaklıkta tutulması gerekir - burası sıvı helyumun gerekli olduğu yerdir.
MRI tarayıcıları önemli tıbbi görüntüleme araçlarıdır.Bu makineler çok büyük bir manyetik alan oluşturur. Süper iletkeni makine içinde düşük sıcaklıkta yalnızca sıvı helyum tutabilir. Fotoğraf: ALPA PROD / Shutterstock
Helyum ve süper iletkenler
Bobin özel bir süper iletken malzemeye sarıldığında ve daha sonra sıvı helyumda 4.2 K veya altına soğutulduğunda, kritik sıcaklık koşulu karşılanır ve bobin içine çok büyük bir akım pompalanabilir. Şimdiye kadar en büyük sabit manyetik alan 45 Tesla (450.000 Gauss) hibrid bir araba tarafından üretildi. Bu sözde acı süper iletken mıknatıs Florida Üniversitesi Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı'nda bulunuyor. Bu mıknatıs tarafından üretilen manyetik alan topraktır. Manyetik alanın 1,5 milyon katı.
Dr. Karolien Denef ve oğlu Griffin, Dr. Christopher Rithner'ın sıvı helyumu kriyojenik dewar'dan nükleer manyetik rezonans için süper iletken magnet dewar'a aktarmasına yardımcı oldu. Tıbbi nükleer manyetik rezonans, nükleer manyetik rezonans araştırması ve parçacık ışınlarında, helyum tüketiminin yaklaşık üçte biri yüksek alan mıknatıslarını destekler. Resim: Christopher Rithner, CC BY-ND
Araştırmada, laboratuvarda bulunan yeni malzemelerin fiziksel özelliklerini parmak izi almak için nükleer manyetik rezonans teknolojisi kullanılıyor. Bunlardan bazıları küresel sağlık sorunlarının üstesinden gelmek için yeni antibiyotikler gibi ilaçlara dönüştürülecek, diğerleri ise kolayca geri dönüştürülebilen "yeşil" yapısal malzemelere dönüştürülecek. Enerji sektöründe ilerleme kaydedilmektedir ve küçük, taşınabilir, yüksek enerjili pillerin geliştirilmesi sonunda karbon yakıtlara olan bağımlılığı azaltabilir. Buna karşılık, nükleer manyetik rezonansın çalışması için çok fazla helyum gerekir. Kısa vadede bunun değişmesi olası değildir. Neyse ki, dünyanın kalan rezervlerini daha iyi yönetiyoruz, her zaman yeni rezervler arıyoruz ve uzayda kaybolmadan önce helyumu nasıl geri dönüştüreceğimizi öğreniyoruz.
Daha yüksek ve daha erişilebilir sıcaklıklarda süper iletken olan yeni malzemelerin nasıl yapılacağını anlamaya başlayın. Tüm bu gelişmeler zaman ve para gerektiriyor. Ne yazık ki, geri dönüşüm işlemleri büyük miktarda enerji ve yanan kömür gerektirir. Aynı zamanda, bu değerli kaynaktan daha fazla kaynak bulmaya ve daha iyi geri dönüşüm stratejileri geliştirmeye devam etmek gerekiyor. Bu doğrultuda daha az parti balonu satın alınarak küçük kişisel adımlar atılabilir. Öte yandan, bu helyum tüketimimizin sadece küçük bir kısmı ve sağladığı saf mutluluk küçük bir bedel. Bir dahaki sefere helyum taşıyan balonlarla gökyüzüne uçan bir parti gördüğünüzde, bu soruyu dikkate almalısınız.
Brocade Park-Science Popularization Metin: Christopher Rithner / Söyleşi
Brocade Park - Evren Biliminin Güzelliğini Sunuyor
