氦元素開(kāi)發(fā)利用新技術(shù)

姚虹聿

一項(xiàng)最新研究顯示，地核中可能存在大量氦元素。科學(xué)家正在為開(kāi)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(shè)備正常工作

地核中可能存在大量氦元素

英國(guó)劍橋大學(xué)的一項(xiàng)最新研究顯示，地球上極為罕見(jiàn)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(jié)合在一起，其運(yùn)算結(jié)果顯示，地核中有約1萬(wàn)億千克的氦元素——這個(gè)數(shù)量非常龐大，也說(shuō)明地球是在氦氣濃度很高的太陽(yáng)星云中形成的。

劍橋大學(xué)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(yùn)動(dòng)情況，也說(shuō)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(fā)生后不久時(shí)形成的，其中一部分與其它氣體和塵埃一起，成為太陽(yáng)星云的一部分。太陽(yáng)星云是一團(tuán)體積巨大、不斷旋轉(zhuǎn)的氣體云，被認(rèn)為是太陽(yáng)系的前身。

此前科學(xué)界已經(jīng)知道，每年有少量氦元素從地球內(nèi)部逸散出來(lái)，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(lái)自地核、有多少來(lái)自地幔，也不清楚地球內(nèi)部究竟儲(chǔ)存了多少氦。劍橋大學(xué)的研究有望揭開(kāi)這個(gè)秘密，從而為人類(lèi)開(kāi)采并利用更多的氦元素奠定基礎(chǔ)。

氦元素的用途

氦氣充入氣球，能讓它升上高空;把氦氣吸進(jìn)嘴巴里，能變出唐老鴨般搞笑的嗓音。不過(guò)，吸入氦氣可不是明智之舉，因?yàn)樗鼤?huì)取代肺中的部分氧氣，引發(fā)呼吸問(wèn)題。以上是人們對(duì)氦氣的普遍認(rèn)知。

其實(shí)，氦元素的重要特性包括：極難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、不具有放射性、不可燃燒、無(wú)毒，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，其氣化點(diǎn)低至零下268攝氏度，接近宇宙中的溫度下限——絕對(duì)零度。其他元素在該溫度下都不可能保持液體狀態(tài)。氦是目前唯一一種具有這些特性且能夠?yàn)槿祟?lèi)所用的元素。

由于化學(xué)性質(zhì)不活潑，氦氣常被作為保護(hù)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(dǎo)熱性材料焊接的理想氣體，還可用作熱處理過(guò)程中的淬火氣體以及熔爐氣體，提升零件質(zhì)量。

在航空航天領(lǐng)域，氦氣被廣泛應(yīng)用于從飛機(jī)制造到飛行的整個(gè)過(guò)程;宇宙飛船太空飛行作業(yè)中，使用氦氣凈化氫氣系統(tǒng);地面和飛行流體系統(tǒng)將其用作增壓劑;此外，氦氣還用作氣象和其他觀(guān)測(cè)氣球的升力源。

在汽車(chē)及運(yùn)輸設(shè)備領(lǐng)域，氦氣應(yīng)用于散熱器、換熱器、空調(diào)組件、燃料箱和變矩器等重要汽車(chē)部件的測(cè)試，以確保其符合質(zhì)量要求。此外，氦氣還可與氬氣配合使用，越來(lái)越多地被用于安全氣囊的充氣操作。

在電子制造領(lǐng)域，氦氣在半導(dǎo)體、液晶面板和光纖制造中起著重要作用，可實(shí)現(xiàn)零部件的快速冷卻，從而提高生產(chǎn)率，還能控制熱傳遞速率，以提高生產(chǎn)效率并減少缺陷。

氦最重要的用途當(dāng)屬醫(yī)學(xué)成像，尤其是磁共振成像技術(shù)（MRI），以及利用高強(qiáng)度磁場(chǎng)的核磁共振技術(shù)（NMR）。若不是因?yàn)楹夥悬c(diǎn)極低，這些技術(shù)都不可能得到應(yīng)用。

超導(dǎo)體材料是磁共振和核磁共振設(shè)備的關(guān)鍵，這些材料在極低的溫度下才能保持穩(wěn)定。電子從材料中流過(guò)產(chǎn)生電流時(shí)，大多數(shù)材料都會(huì)產(chǎn)生電阻，這對(duì)磁裝置而言是一大問(wèn)題。我們使用的每一樣電子設(shè)備，以及運(yùn)輸電力的所有基礎(chǔ)設(shè)施都會(huì)因?yàn)殡娮钃p失能量。由于電阻的存在，很難用高強(qiáng)度電流產(chǎn)生高強(qiáng)磁場(chǎng)。超導(dǎo)體不會(huì)阻礙電子的流動(dòng)，因此能產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)，可以進(jìn)行高分辨率醫(yī)學(xué)成像。超導(dǎo)體材料要想發(fā)揮正常功能，就必須被放置在超低溫環(huán)境中——這也正是液氦不可或缺的原因。

把導(dǎo)線(xiàn)纏繞在特制的超導(dǎo)材料上，再將其放置在液氦中冷卻，便可達(dá)到超導(dǎo)體所需的特殊溫度條件，就可向線(xiàn)圈中通入高強(qiáng)度電流。

目前全球最大的穩(wěn)定磁場(chǎng)位于美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)國(guó)家高強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室，由一塊超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生，其磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)地球磁場(chǎng)的150萬(wàn)倍。

近年來(lái)，氦元素還在一些新的領(lǐng)域得到應(yīng)用。科學(xué)家利用核磁共振技術(shù)分析實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的新材料的物理特性。有些材料可以研發(fā)新藥，例如能夠解決全球健康問(wèn)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(lǐng)域，氦元素也有新的貢獻(xiàn)——科學(xué)家利用它研發(fā)出了更小、更便攜、能量更高的電池，可以減輕我們對(duì)化石燃料的依賴(lài)。

除了以上用途，氦元素還有一個(gè)重要用途。1996年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氦-3可以作為核聚變?cè)稀Ｆ浜司圩兎磻?yīng)不生成中子，所以幾乎無(wú)放射性，而且使用氦-3作為原料，核聚變反應(yīng)的過(guò)程更容易被掌控，從而使人類(lèi)以安全、高效、環(huán)保的方式運(yùn)行核聚變反應(yīng)堆。它比用氫做原料進(jìn)行核聚變還要安全、清潔，能源利用率也更高。因此，有科學(xué)家認(rèn)為，即使將氦-3核電站建在城市中的鬧市區(qū)，也是很安全的。這種可控型核聚變反應(yīng)，能夠確保人類(lèi)在數(shù)千年內(nèi)都不會(huì)面臨能源危機(jī)。

尋找更多的來(lái)源

了解了這些，我們能夠知道，氦元素的用途極為廣泛。因儲(chǔ)量不足，如何更好地保護(hù)氦資源，以及開(kāi)發(fā)新的氦資源，都是非常重要的。

各國(guó)科學(xué)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(guò)的氦氣重新收集起來(lái)，對(duì)其進(jìn)行凈化處理，將雜質(zhì)脫除。這需要根據(jù)雜質(zhì)的種類(lèi)及其性質(zhì)，采用適當(dāng)?shù)募兓胧够厥盏暮饣謴?fù)純凈。

氦氣的回收和再利用存在一些問(wèn)題。比如氦氣因?yàn)樽陨砻芏刃。厍蛞?chǎng)拉不住它，一旦泄漏到空氣中，很快便會(huì)從大氣層逃逸，飄散到外太空，很難回收。這些工作費(fèi)時(shí)費(fèi)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(dāng)然，我們可以研發(fā)能夠在較高的溫度下運(yùn)行的超導(dǎo)體，從而擺脫對(duì)氦元素的依賴(lài)，但這方面的研究進(jìn)展緩慢。

科學(xué)家還在尋找更多的氦元素來(lái)源，以及開(kāi)發(fā)更好的回收方式。前文提到的劍橋大學(xué)的最新研究，為從地球內(nèi)部開(kāi)采氦元素開(kāi)啟了一扇門(mén)。

另有研究表明，在地球的衛(wèi)星——月球上，存在大量氦元素。科學(xué)家估算，約有100萬(wàn)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(huì)釋放出來(lái)。月球上氦-3的總儲(chǔ)量如果都用作核原料來(lái)發(fā)電，可供人類(lèi)使用700年！

氦-3罕見(jiàn)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(lái)一直是太陽(yáng)風(fēng)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(chǎng)極弱，使氦-3粒子能夠在月壤中“安營(yíng)扎寨”。相比之下，地球上的氦-3粒子在磁場(chǎng)的作用下，沿著磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，最終被大氣層“俘獲”。

月球也是“提煉”氦-3的合適場(chǎng)所。那里的環(huán)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?qū)⒃氯兰訜幔瑢⒑?3分離出來(lái)。

科學(xué)家還大膽設(shè)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(yuǎn)，但在月球上開(kāi)采氦-3，然后將其運(yùn)回地球發(fā)電，具備一定的可行性。據(jù)估算，宇航飛船從月球運(yùn)回地球20噸液化氦-3，即可供應(yīng)3億人一年所需的電能。

編輯：姚志剛? winter-yao@163.com