地球上氦氣要用完了，怎么辦？

王璟

我們常常能在街頭看到手中舉著氣球的孩子們，無論在什么年代，這種簡單的玩具都是孩子們的心頭好。氣球之所以能漂浮在空氣中，是因為里面填充著密度比空氣小的氣體，比如氫氣和氦氣。10年前，氦氣球遍布大街小巷，氦氣無色無味也不會燃燒，填充在氣球里安全無害。可是現(xiàn)在的氣球不再那么安全，其中填充的氣體變成了氫氣，遇火可以燃燒，大量氣球集中破裂的話甚至有爆炸的危險。氣球內(nèi)填充的氣體為什么要換成氫氣呢？

氣球改變的原因很簡單，相較于10年前，氦氣的成本翻了三倍都不止，氣球這種廉價小玩具自然充不起“高檔”的氦氣。那么，氦氣為什么變得這么貴呢？

氦氣算是真正意義上的“進(jìn)口貨”，人們是在地球之外發(fā)現(xiàn)它的存在的。1868年8月，法國天文學(xué)家彼埃爾·讓桑在印度南部觀測日全食時，意外發(fā)現(xiàn)太陽光譜里面有一條陌生的明亮黃線。近乎同時，英國天文學(xué)家約瑟夫·洛基爾也獨立地發(fā)現(xiàn)了這條黃線，并把發(fā)出黃光的這種元素命名為“氦”。此后的20多年間，人們都沒能在地球內(nèi)找到氦，它就像一顆掛在天上的寶石，可望而不可即。

1895年，英國化學(xué)家威廉·拉姆塞從一種含鈾礦物中分離出了一種無色無味的氣體，經(jīng)過光譜分析，他驚喜地發(fā)現(xiàn)，那正是此前在太陽光中發(fā)現(xiàn)的“氦”，人們終于在地球上也找到了氦！當(dāng)然，這時候人們還不知道氦能做什么用，只知道它是一種比空氣輕的氣體，那么就拿來充飛艇和氣球吧，從地層中辛苦找到的氦氣就這樣放上了天。

作為分子量僅小于氫的元素，氦是宇宙大爆炸后最早產(chǎn)生的物質(zhì)之一，它在宇宙物質(zhì)中的豐度也僅次于氫，約占宇宙物質(zhì)總量的四分之一。但是氦氣密度很小，又是一種化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的元素，幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，所以宇宙中原生的氦和太陽光發(fā)射出的氦也無法保留在地球上。

地球上唯一的氦氣來源只有放射性物質(zhì)礦區(qū)。地球在誕生之初的熔融狀態(tài)下，在地幔和地核中封印了一些放射性元素，這些放射性元素在衰變的過程中會不斷釋放出α粒子，這些α粒子實質(zhì)就是兩個質(zhì)子和兩個中子組成的氦-4原子核，也就是我們需要的氦氣。這些氦氣在地下積累，人們在大規(guī)模開采放射性礦產(chǎn)的過程中就能收集到氦氣。

現(xiàn)在地球上氦氣儲量最豐富的地方只有美國和卡塔爾等少數(shù)地區(qū)的礦區(qū)，我們既找不到氦氣的更多產(chǎn)區(qū)，也沒有制造氦氣的方法，漸漸地氦氣就越用越少了，價格也逐年上漲。

氦氣價格水漲船高的原因不僅是儲量漸少，還因為人們發(fā)現(xiàn)了氦氣除了充氣球之外更多不可替代的功能。

超導(dǎo)磁體是指在低溫條件下原子核的運動停止、電阻幾乎消失的一類金屬線圈。超導(dǎo)磁體能高效地傳輸電能且?guī)缀醪划a(chǎn)生熱量，是磁懸浮列車、核磁共振成像儀和高能粒子對撞機等高新設(shè)備必不可少的零件。但是，能制成超導(dǎo)磁鐵的金屬都必須在超低溫的環(huán)境中才能達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)，比如常被制成超導(dǎo)體的鈮鈦合金就要求周邊環(huán)境溫度為-268.8℃，只有液氦能實現(xiàn)這樣的低溫。各類高新設(shè)備的超導(dǎo)磁體消耗了地球上的大部分氦氣，比如長達(dá)27千米的歐洲強子對撞機就用了大約130噸液氦將其中的超導(dǎo)磁體冷卻到-271.3℃，這130噸液氦就占到全球氦產(chǎn)量的1%，更別提世界各地的磁懸浮列車和醫(yī)院中的核磁共振成像儀用到的液氦了。

氦氣還經(jīng)常作為保護(hù)氣體被填充到原子反應(yīng)堆和加速器、激光器等設(shè)備中，隔絕氧氣以保護(hù)金屬不被氧化，工業(yè)上在冶煉和焊接金屬時也常用氦氣隔絕氧氣。因為氦氣擴散性能極強，極微量的逸散也很容易被檢出，所以還可填充到密封的機器設(shè)備中，比如宇宙飛船和火箭等，用于檢測它們的密封性能。

氦氣還有一個非常有意思的用途。許多人都有過吸一口氦氣，說話聲音就變得又尖又細(xì)的經(jīng)歷，其實進(jìn)行長時間深度潛水作業(yè)的人剛剛上岸時說話就是這樣的，正是因為他們吸入了一定量的氦氣。人們在進(jìn)行深度潛水時，人體受到的壓力增大，空氣溶入血液的量變多，空氣的主要成分——氮氣在體內(nèi)的量也就越多。當(dāng)?shù)獨庠谘褐械姆謮哼_(dá)到一定的高度時，人就會出現(xiàn)麻醉甚至昏厥的現(xiàn)象，俗稱“氮醉”，這在潛水過程中是很危險的。而氦氣在血液中的溶解度很低，即使高壓的情況下也不會大量滯留在人體內(nèi)，因此，人們在氧氣罐中加入了氦氣代替氮氣，就可以避免進(jìn)行長時間深度潛水的人出現(xiàn)氮醉現(xiàn)象。

生活中，我們最常與氦氣接觸的地方是在超市，收銀處使用的條形碼掃描器正是用了氦氖激光器進(jìn)行識別。氦氖激光器中充入了體積比約為10∶1的氦氣和氖氣，在受到光線照射時，氦氣傳遞匯聚光能，氖氣受激產(chǎn)生輻射，發(fā)射出激光。氦氖激光器作為最早出現(xiàn)的氣體激光器，造價便宜，能量消耗少，因此廣泛用于各種條形碼掃描器中。除了條形碼掃描器，氦氖激光器也被用在顯微鏡、光譜儀和光盤驅(qū)動器等設(shè)備中。

一方面是日益減少的氦氣庫存，另一方面是逐漸擴大的氦氣用量。供不應(yīng)求的情況下，氦氣的漲價是不可避免的事。可即使如此，按照目前的使用量來說，地球上的氦氣庫存大約也只夠用20年了。面對這種情況，科研人員紛紛開動著腦筋。

最直接的辦法就是節(jié)流，現(xiàn)在醫(yī)院里常用的核磁共振儀基本安裝著密閉性良好、減少蒸發(fā)量的液氦裝置，大大減少了液氦的需求量。2014年，我國的科學(xué)家研發(fā)出了首臺工業(yè)氦氣循環(huán)使用系統(tǒng)，可以回收工業(yè)生產(chǎn)中使用過的含有雜質(zhì)的氦氣并提純，然后再次利用。目前這套系統(tǒng)的提純能力已達(dá)到可將純度僅為10%的氦氣提純至99.5%以上純度的程度。

既然超導(dǎo)磁體是氦氣使用的大頭，那么有沒有辦法能減少這一領(lǐng)域氦氣的使用量呢？更多的科學(xué)家嘗試用其他的制冷方式來代替液氦制冷，用無液氦的制冷機來達(dá)到超導(dǎo)磁體的工作溫度。最近，浙江寧波諾丁漢大學(xué)和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院等多個科研單位聯(lián)合開發(fā)的使用無液氦超導(dǎo)磁體的核磁共振成像儀已經(jīng)投入使用了。這臺成像儀的超導(dǎo)磁體用成本低、安全性高的銅帶代替了原來的制冷劑液氦，通過直接傳導(dǎo)冷卻技術(shù)制冷。

當(dāng)然，開源才是保證氦氣源源不絕的根本方法。地球大氣中含有約0.0005%的氦，盡管很少，但在氦氣供不應(yīng)求時，人們還是會利用氣體的沸點不同的原理，將氦氣從大氣中分離出來。就在這樣苦巴巴的日子中，人們竟然在月球中發(fā)現(xiàn)了大量的氦。原來，因為月球自身沒有磁場，太陽輻射出來的氦粒子能在月壤內(nèi)“安營扎寨”。相比之下，輻射到地球上的氦粒子在地球磁場的作用下，沿著地球磁力線慢慢擴散，最終通過大氣層泄漏到外太空了。科學(xué)家計算發(fā)現(xiàn)，將月壤加熱到80℃，大約2億噸的月壤中能提取出1噸的氦元素，而等量的地球土壤僅能生產(chǎn)10千克氦。隨著我們開發(fā)月球進(jìn)程的加快，也許未來月球能成為波斯灣似的能源基地，我們就能擺脫氦氣不足的危機。

曾經(jīng)我們開心地玩著氦氣球的日子里，應(yīng)該沒人能想到不過十幾年，我們就要面對無氦可用的困境吧？除了氦之外，又有多少資源危機即將來臨呢？珍惜資源不止是一句口號，而是保障我們未來幸福生活的最優(yōu)選擇。