氦元素開發利用新技術

姚虹聿

一項最新研究顯示，地核中可能存在大量氦元素。科學家正在為開采并利用這種重要而稀有的元素作出各種嘗試和努力。

地核中可能存在大量氦元素

氦元素可確保核磁共振設備正常工作

地核中可能存在大量氦元素

英國劍橋大學的一項最新研究顯示，地球上極為罕見的氦氣，正從金屬地核中向外泄漏。研究人員將氦元素的泄漏率與大氣容量模型結合在一起，其運算結果顯示，地核中有約1萬億千克的氦元素——這個數量非常龐大，也說明地球是在氦氣濃度很高的太陽星云中形成的。

劍橋大學的研究人員指出，該模型模擬了地球形成和演化期間的氣體運動情況，也說明地核中存在大量氦元素。宇宙中的絕大部分氦-3都是在138億年前大爆炸發生后不久時形成的，其中一部分與其它氣體和塵埃一起，成為太陽星云的一部分。太陽星云是一團體積巨大、不斷旋轉的氣體云，被認為是太陽系的前身。

此前科學界已經知道，每年有少量氦元素從地球內部逸散出來，主要沿板塊交界處的海面釋放。人們并不清楚有多少氦元素來自地核、有多少來自地幔，也不清楚地球內部究竟儲存了多少氦。劍橋大學的研究有望揭開這個秘密，從而為人類開采并利用更多的氦元素奠定基礎。

氦元素的用途

氦氣充入氣球，能讓它升上高空;把氦氣吸進嘴巴里，能變出唐老鴨般搞笑的嗓音。不過，吸入氦氣可不是明智之舉，因為它會取代肺中的部分氧氣，引發呼吸問題。以上是人們對氦氣的普遍認知。

其實，氦元素的重要特性包括：極難發生化學反應、不具有放射性、不可燃燒、無毒，最關鍵的一點是，其氣化點低至零下268攝氏度，接近宇宙中的溫度下限——絕對零度。其他元素在該溫度下都不可能保持液體狀態。氦是目前唯一一種具有這些特性且能夠為人類所用的元素。

由于化學性質不活潑，氦氣常被作為保護氣使用。氦氣在電弧溫度條件下的惰性，使其成為鋁、不銹鋼、銅和鎂合金等高導熱性材料焊接的理想氣體，還可用作熱處理過程中的淬火氣體以及熔爐氣體，提升零件質量。

在航空航天領域，氦氣被廣泛應用于從飛機制造到飛行的整個過程;宇宙飛船太空飛行作業中，使用氦氣凈化氫氣系統;地面和飛行流體系統將其用作增壓劑;此外，氦氣還用作氣象和其他觀測氣球的升力源。

在汽車及運輸設備領域，氦氣應用于散熱器、換熱器、空調組件、燃料箱和變矩器等重要汽車部件的測試，以確保其符合質量要求。此外，氦氣還可與氬氣配合使用，越來越多地被用于安全氣囊的充氣操作。

在電子制造領域，氦氣在半導體、液晶面板和光纖制造中起著重要作用，可實現零部件的快速冷卻，從而提高生產率，還能控制熱傳遞速率，以提高生產效率并減少缺陷。

氦最重要的用途當屬醫學成像，尤其是磁共振成像技術（MRI），以及利用高強度磁場的核磁共振技術（NMR）。若不是因為氦氣沸點極低，這些技術都不可能得到應用。

超導體材料是磁共振和核磁共振設備的關鍵，這些材料在極低的溫度下才能保持穩定。電子從材料中流過產生電流時，大多數材料都會產生電阻，這對磁裝置而言是一大問題。我們使用的每一樣電子設備，以及運輸電力的所有基礎設施都會因為電阻損失能量。由于電阻的存在，很難用高強度電流產生高強磁場。超導體不會阻礙電子的流動，因此能產生極強的磁場，可以進行高分辨率醫學成像。超導體材料要想發揮正常功能，就必須被放置在超低溫環境中——這也正是液氦不可或缺的原因。

把導線纏繞在特制的超導材料上，再將其放置在液氦中冷卻，便可達到超導體所需的特殊溫度條件，就可向線圈中通入高強度電流。

目前全球最大的穩定磁場位于美國佛羅里達大學國家高強磁場實驗室，由一塊超導磁鐵產生，其磁場強度高達地球磁場的150萬倍。

近年來，氦元素還在一些新的領域得到應用。科學家利用核磁共振技術分析實驗室中發現的新材料的物理特性。有些材料可以研發新藥，例如能夠解決全球健康問題的新型抗生素;有些材料可以用于建造綠色建筑。

在能源領域，氦元素也有新的貢獻——科學家利用它研發出了更小、更便攜、能量更高的電池，可以減輕我們對化石燃料的依賴。

除了以上用途，氦元素還有一個重要用途。1996年，科學家發現氦-3可以作為核聚變原料。其核聚變反應不生成中子，所以幾乎無放射性，而且使用氦-3作為原料，核聚變反應的過程更容易被掌控，從而使人類以安全、高效、環保的方式運行核聚變反應堆。它比用氫做原料進行核聚變還要安全、清潔，能源利用率也更高。因此，有科學家認為，即使將氦-3核電站建在城市中的鬧市區，也是很安全的。這種可控型核聚變反應，能夠確保人類在數千年內都不會面臨能源危機。

尋找更多的來源

了解了這些，我們能夠知道，氦元素的用途極為廣泛。因儲量不足，如何更好地保護氦資源，以及開發新的氦資源，都是非常重要的。

各國科學家都在研究，在氦氣逃逸到太空中之前，如何更好地加以回收利用。將使用過的氦氣重新收集起來，對其進行凈化處理，將雜質脫除。這需要根據雜質的種類及其性質，采用適當的純化措施，使回收的氦氣恢復純凈。

氦氣的回收和再利用存在一些問題。比如氦氣因為自身密度小，地球引力場拉不住它，一旦泄漏到空氣中，很快便會從大氣層逃逸，飄散到外太空，很難回收。這些工作費時費力、成本高昂，而且回收氦氣還需要大量化石能源提供的能量。當然，我們可以研發能夠在較高的溫度下運行的超導體，從而擺脫對氦元素的依賴，但這方面的研究進展緩慢。

科學家還在尋找更多的氦元素來源，以及開發更好的回收方式。前文提到的劍橋大學的最新研究，為從地球內部開采氦元素開啟了一扇門。

另有研究表明，在地球的衛星——月球上，存在大量氦元素。科學家估算，約有100萬噸氦-3嵌附在月球表層，只須加熱到合適的溫度，90%以上的氦-3就會釋放出來。月球上氦-3的總儲量如果都用作核原料來發電，可供人類使用700年！

氦-3罕見于地球，卻在月球上大量存在，其主要原因在于，月球40億年來一直是太陽風粒子的“收集器”，有2億—5億噸氦-3粒子嵌入月球表層10—50米的土層中。由于月球的磁場極弱，使氦-3粒子能夠在月壤中“安營扎寨”。相比之下，地球上的氦-3粒子在磁場的作用下，沿著磁力線運動，最終被大氣層“俘獲”。

月球也是“提煉”氦-3的合適場所。那里的環境接近真空、引力小（僅為地球引力的1/6）、溫差大（130攝氏度到零下183攝氏度之間），采用合適的方法，能夠將月壤加熱，將氦-3分離出來。

科學家還大膽設想，氦-3不僅可以作為月球核電站的原料，還能為地球所用。雖然月地距離遙遠，但在月球上開采氦-3，然后將其運回地球發電，具備一定的可行性。據估算，宇航飛船從月球運回地球20噸液化氦-3，即可供應3億人一年所需的電能。

編輯：姚志剛? winter-yao@163.com