Einer unserer Techniker beschwerte sich über Helium. Insbesondere flüssiges Helium. Es stellt sich heraus, dass eines der Instrumente, die es braucht, niedrig war und er Probleme hatte, mehr zu bekommen. Meine erste Antwort war – nun, natürlich kann man es wegen der Budgetprobleme nicht bekommen. Nein, wir haben das Geld für Helium. Stattdessen gibt es einen Mangel an Helium. Wirklich, das sind keine guten Nachrichten. Warum?
Ok, lass mich ein paar Fragen stellen und sie dann selbst beantworten. Für einige dieser Fragen und Antworten gebe ich nur eine ungefähre Antwort. Es sollte klar sein, dass ich kein Experte für Helium bin. Ich weiß das. Wenn Sie Lungen voller Helium einatmen und dann den Flur entlang rennen, um jemanden mit Ihrer hohen Stimme zu überraschen, werden Sie ohnmächtig. Stimmt’s, Scott?
Warum gibt es einen Heliummangel?
Ehrlich gesagt kenne ich nicht alle Details. Ein Teil der Antwort hängt von der Politik ab. Die USA haben ein nationales Heliumreservat in Amarillo, Texas. Das Helium Privatization Act von 1996 zielte jedoch darauf ab, dies zu verkaufen. Das Ergebnis ist, dass sich nicht so viel Helium in der Reserve befindet.
Darüber hinaus hatten einige Heliumproduzenten ihre eigenen Versorgungsprobleme. Die beiden Probleme zusammen bedeuten, dass es nicht so viel Helium gibt.
Woher nimmst du überhaupt Helium?
Normalerweise findet man Helium dort, wo man Erdgas findet. Das Problem ist, dass es schwierig sein kann, das Helium von dem anderen Gas zu trennen. Am einfachsten ist es beim Abbau von „trockenem“ Erdgas (ich kenne den Unterschied zwischen trockenem und nicht trockenem Gas wirklich nicht – ich halte mich nur an das, was mir gesagt wurde). Energieunternehmen sind jedoch diejenigen, die normalerweise Erdgas beziehen. Für sie wollen sie das „nasse“ Erdgas. Dies ist also Teil des Problems, Helium zu bekommen.
Bedeutet das, dass es keine Luftballons mehr gibt?
In Bezug auf den gesamten Heliumverbrauch ist die Menge, die in Geburtstagsballons verwendet wird, ziemlich gering. Viel größere Anwendungen sind für Wetterballons und Kühlung Dinge mit flüssigem Helium. Die meisten Menschen würden jedoch wahrscheinlich zustimmen, dass in Zeiten des Mangels Geburtstagsballons ziemlich niedrige Priorität haben. Also, ja, Sie werden Schwierigkeiten haben, Helium für Ihre Ballons zu finden. Ich denke, man könnte sie mit Wasserstoffgas füllen.
Was ist mit flüssigem Helium?
Der Hauptgrund für die Verwendung von flüssigem Helium ist, dass es kalt ist. Super kalt. Bei normalem Atmosphärendruck siedet flüssiges Helium bei einer Temperatur von nur 4,2 Kelvin (-452,11 Fahrenheit). Ja. Das ist kalt. Was braucht so etwas Kaltes? Super leitende Magnete. Für einige Materialien, wenn Sie sie kalt genug bekommen, geht der Widerstand des Materials auf Null Ohm. Dies bedeutet, dass Sie etwas Strom durchlassen können und das Material wie ein Magnet wirkt. Nicht irgendein Magnet, sondern ein superstarker Magnet.
Wer braucht schon einen Supermagneten? Die beiden häufigsten Anwendungen sind die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und die Magnetresonanztomographie (MRT). Sagen wir einfach (vorerst), dass sowohl NMR- als auch MRT-Instrumente große Magnetfelder verwenden, um mit den Kerneigenschaften der Probe zu interagieren. Auf diese Weise können Sie räumliche Daten (in der MRT) oder Zusammensetzungsdaten (NMR) erhalten. Ich weiß, dass dies wahrscheinlich eine schreckliche Antwort ist, aber es sollte vorerst gut genug sein.
Was passiert, wenn man aufhört, flüssiges Helium in ein NMR zu geben?
Man gibt das flüssige Helium in das NMR und es hält den Magneten kalt. Natürlich tut es das, weil ein Teil des Heliums den Phasenübergang von einer Flüssigkeit zu einem Gas macht und das Energie braucht. Diese Energie kommt vom Magneten, wodurch die Temperatur abnimmt. Wenn das Ding perfekt isoliert wäre, gäbe es kein Problem. Aber es ist nicht perfekt. Das Helium verdampft also weiter, um die Magnettemperatur aufrechtzuerhalten. Für die NMR an der Southeastern Louisiana University müssen Sie alle zweieinhalb Monate etwa 30 Liter flüssiges Helium hinzufügen.
Aber was passiert, wenn Sie dies nicht tun. Wird es einfach nicht funktionieren? Nun, wenn Sie es nicht tun, passieren schlimme Dinge. Denken Sie daran, dass in diesem supraleitenden Magneten ein konstanter Strom fließt. Es kann einen konstanten Strom ohne Stromquelle halten, da der Widerstand Null ist. Wenn es sich erwärmt, hat es keinen Nullwiderstand mehr. Wenn es einen Widerstand gibt, gibt es eine Zunahme der thermischen Energie, die den Widerstand erhöht. Für unseren Magneten sind 49 kJoule Energie im Strom gespeichert und diese Energie muss irgendwo hingehen, wenn sich der Magnet erwärmt. Dieser Vorgang wird als „Abschrecken“ bezeichnet. Wenn der Magnet heiß wird, kocht immer mehr flüssiges Helium (und normalerweise gibt es etwas flüssigen Stickstoff, um das flüssige Helium kühl zu halten) ziemlich schnell ab. Hier ein Beispiel.
Oh – und ja, es gibt eine Möglichkeit, den Magneten aufzuwärmen, ohne dass schlimme Dinge passieren. Es ist jedoch nicht einfach, es wieder in einen funktionsfähigen Zustand zu bringen.
Wie stellt man flüssiges Helium her?
Es ist nicht einfach. Sie können einen Heliumballon nicht einfach in einen Gefrierschrank stellen, bis er sich in eine Flüssigkeit verwandelt. Nun, ich denke, du könntest, wenn du einen kalten Gefrierschrank hättest. Das Problem ist, dass der Gefrierschrank mit flüssigem Helium oder so kalt gehalten werden müsste. Lassen Sie mich den Prozess in über vereinfachten Begriffen erklären.
Lassen Sie mich mit einem Beispiel beginnen. Nehmen Sie eine dieser großen Plastikspritzen. Legen Sie einfach Ihren Finger über das Ende und komprimieren Sie das Gas darin. Möglicherweise stellen Sie fest, dass die Röhre wärmer wird. Wenn Sie es einige Zeit so halten, kühlt sich das Rohr (und das Gas darin) auf Raumtemperatur ab. Ziehen Sie nun den Kolben wieder heraus, um das Gas zu erweitern. Wenn sich das Gas ausdehnt, wird es kälter.
Für Helium nehmen Sie das Gas und komprimieren es. Dann kühlen Sie das komprimierte Gas ab und lassen es expandieren. Das war’s. Du machst das immer und immer wieder, bis dir das Zeug kalt genug ist. Es gibt einige Tricks, aber das ist die Grundidee.
Könnten Sie das Helium aus dem NMR nicht recyceln?
Ja, das ist technisch möglich. Es ist jedoch auch technisch sehr teuer. Sie müssten ein Gerät haben, um das Helium einzufangen, wenn es sich in ein Gas verwandelt. Dann müssten Sie es sammeln und in einen Heliumverflüssiger laufen lassen. Diese Verflüssiger sind sehr teuer. So erhalten die meisten Anlagen gerade mehr flüssiges Helium alle paar Monate.
Bild: crdotx/Flickr