Balony z helem.

What the hel? Szlachetny pierwiastek

Czas czytania w minutach: 7

Jeszcze do niedawna regularnie można było przeczytać artykuły na temat ogólnoświatowych braków helu, choć ostatnio, z powodu pandemii, problem się nieco zmniejszył. Ponieważ hel jest zasobem nieodnawialnym, można domniemywać, że za jakiś czas te artykuły wrócą. Ale o co w ogóle chodzi? Dlaczego to jest też Twój problem? I po co w ogóle naukowcom tyle latających balonów? Pozwól, że wyjaśnię.

Nie tylko balony

Hel jest jednym z przeszło stu znanych nam pierwiastków, jednym z nielicznych, które nie tworzą żadnych związków chemicznych. Ta właściwość doprowadziła do przyjęcia nazwy zwyczajowej – gaz szlachetny1Warto zauważyć, że od tej nazwy się odchodzi, ponieważ część spośród gazów szlachetnych udało nakłonić do wejścia w bliższe relacje z innymi atomami. Jest też, jak nazwa wskazuje, gazem, i to drugim najlżejszym po wodorze. Dlatego też był naturalnym zamiennikiem dla wodoru, gdy uznano, że pakowanie wielkich ilości łatwopalnego gazu do sterowców może nie być najlepszym pomysłem.

Ze względu na swoją lekkość do sterowców nadawał się świetnie, a dziś bawi nas, unosząc baloniki na imprezach. Ale imprezowe baloniki to nie jedyne współczesne zastosowanie helu. Bywa również wykorzystywany do wynoszenia na dużą wysokość balonów z rzeczywistym ładunkiem. O ile w wypadku balonów meteorologicznych można wykorzystywać wodór, o tyle w wypadku balonów przewożących ludzi, ze względów bezpieczeństwa wykorzystuje się tylko hel. Mówimy tu, rzecz jasna, o dość specyficznych zastosowaniach: lotach na wysokim pułapie. Wysokości rzędu 30-40 kilometrów są nieosiągalne dla tradycyjnych samolotów, czy to śmigłowych, czy odrzutowych. Z drugiej strony, na satelitę to zdecydowanie za nisko.

A to właśnie na tej wysokości zbiera się cenne dane meteorologiczne. Na świecie jest około 800 stacji badawczych, które dwa razy dziennie (o godzinie 00:00 i 12:00 UTC – czyli zimą dodajemy do tego w Polsce godzinę, latem dwie) wypuszczają balony z radiosondami. W Polsce są to Łeba, Legionowo oraz Wrocław. Z tej również wysokości swój rekordowy skok oddał w 2012 roku Felix Baumgartner.

Lekkoduch

Poza tym, jak się okazuje, choć era sterowców przeminęła – może powrócić. Co najmniej kilka firm na poważnie rozważa opcję powrotu do sterowców. Dlaczego? Są na świecie trasy, na których najsensowniejszy jest transport lotniczy. Sterowce są wprawdzie dużo wolniejsze niż samoloty, ale mają po swojej stronie ogromną zaletę: koszt. Nie potrzebują spalać paliwa, żeby wytwarzać siłę nośną – to właśnie załatwia hel. Paliwo jest potrzebne jedynie po to, żeby lecieć we właściwą stronę. Nie potrzeba więc silników o bardzo wysokim ciągu, można pójść raczej w kierunku silników bardzo wydajnych, dzięki czemu całość może być dużo bardziej opłacalna, a przy tym również przyjazna dla środowiska.

I przy tych zastosowaniach trudno będzie hel zastąpić. Nie jest to kwestia odkrycia czy nawet wymyślenia jakiegoś egzotycznego gazu o bardzo niskiej gęstości. Tutaj raczej nie uratuje nas żaden grafen ani nic podobnego. W przypadku gazów gęstość pod stałym ciśnieniem jest dość mocno skorelowana z masą cząsteczkową. Wiemy więc, że pomijając wodór, nic lżejszego niż hel nie znajdziemy.

Zero reakcji

Kolejną cechą, która przyczynia się do użyteczności helu, jest wspomniana już niereaktywność. Nieważne, jakimi chemikaliami go potraktujemy, atomy helu będą latały luzem. A dlaczego jest to dla nas tak przydatne? Ponieważ są sytuacje, w których potrzebujemy zapewnić niereaktywną atmosferę. Najczęściej wystarczy nam wtedy azot, czasem argon… Ale czasem to nie wystarczy. Dotyczy to przede wszystkim rakiet kosmicznych.

Gdy rakieta zużywa paliwo, puste miejsce w zbiorniku trzeba czymś wypełnić. W przeciwnym wypadku powstająca próżnia będzie utrudniała pompowanie paliwa do silników, może też doprowadzić do zniszczenia rakiety. Z zastosowaniem do tego celu azotu jest jednak pewien problem. Azot zamarza w -210℃. Argon? Jeszcze gorzej, -185℃. A tymczasem ciekły tlen to -185℃, wodór – poniżej -250℃… A chcielibyśmy, żeby to, czym wypełniamy pustą przestrzeń, było gazem. Jest tylko jeden gaz, który ma niższą temperaturę skraplania niż wodór. Tak, zgadliście, jest to hel…

Ekstremalnie niska reaktywność sprawia też, że hel jest nietoksyczny. Można go wdychać bez konsekwencji zdrowotnych2O ile, rzecz jasna, nie zastąpi się nim tlenu całkowicie – wtedy owszem, można się udusić, ale będzie to konsekwencja braku tlenu, a nie obecności helu.. Bywa to wykorzystywane w celach stricte rozrywkowych – każdy chyba wie, jak brzmi ktoś, kto nabrał w płuca hel zamiast powietrza3Co wynika z trzykrotnie wyższej szybkości dźwięku w helu w porównaniu do powietrza. Ale dużo częściej hel jest wdychany z przyczyn praktycznych.

Otóż nurkowie głębinowi potrzebują oddychać mieszanką sprężonych gazów – podawanie gazu pod ciśnieniem jest konieczne ze względu na wysokie ciśnienie otaczającej ich wody. Problem polega na tym, że pod odpowiednio wysokim ciśnieniem azot zaczyna oddziaływać na człowieka narkotycznie, zaś tlen – toksycznie. A tymczasem dodanie do mieszaniny helu, który jest praktycznie nierozpuszczalny we krwi, pomaga rozwiązać tę sytuację. Dzięki temu stężenie azotu czy tlenu we krwi możemy utrzymać w wartościach akceptowalnych, jednocześnie utrzymując wysokie ciśnienie całego podawanego z butli gazu.

Nurek z maską pod wodą.

A w praktyce?

Niska reaktywność jest też związana z tym, że trudno jest atomy helu zjonizować. Połączenie tych właściwości sprawia, że hel świetnie nadaje się jako gaz osłonowy przy spawaniu łukowym. O co chodzi? Spawany materiał rozgrzewa się do bardzo wysokiej temperatury. Rozgrzane metale, jeśli tylko mają kontakt z tlenem, bardzo łatwo ulegają utlenianiu, co zmienia ich właściwości. O tym ostatnim chyba nie muszę nikogo przekonywać – każdy się zorientował, że żelazo i tlenek żelaza (rdza) mają różne właściwości i nie można stosować ich zamiennie. Dlatego też trzeba jakoś pozbyć się tlenu z okolicy. I znów – w niektórych przypadkach wystarcza argon. Jednak do niektórych metali, takich, jak tytan, cyrkon czy magnez, konieczne jest zastosowanie helu ze względu na jego wysoką pojemność cieplną.

No dobrze, powiecie, ale gdzie braki helu mogą dotknąć Was osobiście? Są tutaj dwa główne obszary. Pierwszym z nich jest kriogenika. I nie, nie chodzi mi o to, że będziecie się mrozić jak Han Solo w karbonicie. Ponieważ hel skrapla się w temperaturze -269℃, jak żaden inny nadaje się do chłodzenia nadprzewodników. A po co nam te nadprzewodniki? Cóż, o potencjalnych przyszłych zastosowaniach już kiedyś pisałem. Dziś głównym polem, na którym znajdują zastosowania nadprzewodniki, jest produkcja bardzo, bardzo silnych elektromagnesów.

O co chodzi? Podstawowa zasada mówi nam, że im większy przez jakiś przewodnik płynie prąd, tym silniejsze jest generowane przez niego pole magnetyczne. Ale pojawia się problem: im większy prąd, tym bardziej się przewodnik grzeje. Drugim czynnikiem odpowiedzialnym za wzrost temperatury przewodnika jest jego opór (kłania się pan Ohm). Rozwiązanie – bardzo proste. Zredukujmy opór do zera, nie będzie się nic grzało. I tak właśnie działają nadprzewodniki. Dzięki nim magnes wystarczy raz uruchomić, a następnie bez dodatkowego zewnętrznego zasilania prąd będzie w nich krążył przez kilkadziesiąt lat bez większych zmian intensywności pola. Tyle, że  – no właśnie – znane nam dziś sensowne nadprzewodniki swoje specjalne właściwości uzyskują dopiero w temperaturach helowych.

Hel między nami

Ale po co nam – i Wam – takie elektromagnesy? Mnie są przydatne do pracy – korzystając z nich mogę zmierzyć masę pojedynczych cząsteczek moich związków czy ustalić ich strukturę. Ale wszyscy możemy się z nimi spotkać, gdy kiedyś lekarz skieruje nas na rezonans. To badanie, fachowo zwane obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego, wymaga wprowadzenia badanego miejsca w silne pole magnetyczne (kilkaset tysięcy razy silniejsze niż ziemskie), bo dopiero w takich warunkach cząsteczki w naszym organizmie zaczynają oddziaływać z falami radiowymi4Więcej na ten temat przeczytacie u nas w przyszłości!. A może ktoś z Was miał okazję jechać lewitującym pociągiem? Jest spora szansa, że pociąg utrzymywał się ponad torem właśnie dzięki elektromagnesom nadprzewodzącym.

A drugie zastosowanie? Nie spotykacie się z nim bezpośrednio, ale dzięki helowi jesteście w stanie w ogóle czytać tę notkę. Hel jest wykorzystywany przy produkcji zaawansowanej elektroniki, w tym nadprzewodników czy monitorów ciekłokrystalicznych, oraz światłowodów. Znowu wykorzystuje się jego obojętność chemiczną w połączeniu z wysoką pojemnością cieplną. Te cechy sprawiają, że jest idealnym gazem chłodzącym – jest w stanie odbierać duże ilości ciepła, a jednocześnie nie ma ryzyka, że popsuje powstający procesor. A pamiętajcie, że produkcja kilkunastonanometrowych tranzystorów wymaga takiej czystości, że pracownicy nie mogą myć rąk przed pracą normalnym mydłem – jest ono zbyt brudne…

O właściwościach i zastosowaniach helu można by opowiadać jeszcze długo. Od poduszek powietrznych do chromatografów gazowych. Od badania szczelności do reaktorów jądrowych. Ale skąd w ogóle uzyskuje się ten wyjątkowy gaz?

Złapcie go, zanim ucieknie!

W naturze hel powstaje w wyniku rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. W większych ilościach można go znaleźć jako zanieczyszczenie w złożach gazu ziemnego. Najczęściej jest go tam niewiele i w procesie oczyszczania gazu jest on po prostu usuwany – pozwala mu się ulotnić do atmosfery. Są jednak złoża, w których helu jest na tyle dużo, że opłacalne staje się jego wydzielanie, oczyszczanie i skraplanie. I tu ciekawostka z lokalnego podwórka – Polska jest jednym z nielicznych krajów, w których występują złoża gazu o odpowiedniej zawartości helu (w naszym wypadku jest to od 0.1 do 0.4%). W związku z tym w Odolanowie mieści się jeden z nielicznych na świecie zakładów produkcji helu. Pozostałe kraje? Przede wszystkim – USA, skąd pochodzi ponad połowa światowej produkcji. Poza tym Katar, Algieria, i Rosja.

Rezerwy helu na świecie / Wikimedia Commons

A co z helem, który jest w powietrzu? Czy nie można go odzyskać? Teoretycznie – tak, można. Występują tu jednak dwa problemy. Po pierwsze, helu w atmosferze ziemskiej jest bardzo mało – dziesięciotysięczne części procenta. Oznacza to, że ilość energii, a tym samym kosztów, jakie by trzeba w to włożyć, czyni zabawę nieopłacalną. Jest jeszcze drugi problem: hel. Jako jeden z najlżejszych pierwiastków, unosi się w górne partie atmosfery… Po czym stosunkowo łatwo ucieka w przestrzeń kosmiczną, i tyle go widzieli.

A jeśli się skończy?

Tak, pisząc we wstępie, że hel jest zasobem nieodnawialnym, miałem na myśli dokładnie to, że pewnego dnia może się skończyć. Kiedy dokładnie? Nie wiadomo. Pierwsze szacunki mówiły o poważnych brakach już w 2015 roku. Oczywiście, jeśli towaru brakuje, to cena rośnie, a co za tym idzie, pewne metody produkcji nagle stają się opłacalne… Chwilowo, zwłaszcza dzięki zmniejszonemu zużyciu „imprezowemu”, podaż wystarcza na pokrycie popytu. Ale ten stan rzeczy nie będzie trwał wiecznie.

Szczęśliwie dla nas, okazuje się, że nie znamy wciąż wszystkich światowych zasobów helu. Kilka lat temu w Tanzanii odkryto podziemny zbiornik zawierający około tryliona litrów gazowego helu. Co ciekawe – był to pierwszy przypadek, kiedy hel nie został odkryty „dodatkowo”, podczas poszukiwań czegoś innego – prowadzono poszukiwania złóż helu. Jeśli tego typu niespodzianek czeka na nas więcej, to na jakiś czas odsuniemy problem niedoboru tego cennego zasobu. Ale nie na zawsze – więc pozostaje mieć nadzieję, że naukowcom uda się obejść problem: tam, gdzie się da, stosując inne gazy. Tam, gdzie się nie da, być może będzie można użyć innych nadprzewodników. No, chyba że za jakiś czas rozwinie się nam górnictwo pozaziemskie, i zaczniemy prowadzić gospodarkę rabunkową również na innych ciałach niebieskich.

Źródła:

http://www.madehow.com/Volume-4/Helium.html

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/scientists-found-huge-reservoir-much-needed-helium-180959592/

https://www.goodyearblimp.com/behind-the-scenes/current-blimps.html

https://foreignpolicy.com/2020/02/29/blimps-hindenburg-flying-whales-airships/

https://www.bbc.com/future/article/20191107-how-airships-could-return-to-our-crowded-skies

https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.2.20200605a/full/

https://www.electrochem.org/superconductors



0 0 votes
Oceń artykuł
Powiadom mnie!
Powiadom o
guest
3 komentarzy
Oldest
Newest Most Voted
Inline Feedbacks
View all comments
Mateusz

Polska mocarstwem helowym!
A co do braków, nie dałoby się wziąć kilku cząsteczek wodoru, ścisnąć je razem i… A nie czekaj… 🤯

[…] się poleruje i wykorzystuje w dalszym procesie produkcji. Cały proces odbywa się w atmosferze gazu obojętnego. Chroni on nasz półprzewodnik przed niepożądanymi reakcjami, jakim mógłby ulegać w wysokiej […]