yksi teknikoistamme valitti heliumista. Erityisesti nestemäistä heliumia. Kävi ilmi, että yksi sitä tarvitsevista välineistä oli matala ja hänellä oli vaikeuksia saada lisää. Ensimmäinen vastaukseni oli – no, tietenkään sitä ei saa budjettikysymysten takia. Ei, meillä on rahat heliumiin. Sen sijaan heliumista on pulaa. Tämä ei ole hyvä uutinen. Miksi?
Ok, anna minun esittää muutama kysymys ja vastata niihin sitten itse. Osaan näistä kysymyksistä ja vastauksista annan vain likimääräisen vastauksen. En ole heliumin asiantuntija. Tiedän sen. Jos hengität keuhkot täynnä heliumia ja juokset sitten pitkin käytävää yllättääksesi jonkun korkealla äänelläsi, menetät tajuntasi. Eikö Niin, Scott?
miksi heliumista on pulaa?
rehellisesti sanottuna en tiedä kaikkia yksityiskohtia. Osa vastauksesta riippuu politiikasta. Yhdysvalloissa on kansallinen Heliumvaranto Amarillo Texasissa. Helium Privatization Act of 1996 tähtäsi kuitenkin tämän myynnin aloittamiseen. Tuloksena on, että heliumia ei ole yhtä paljon varastossa.
tämän lisäksi osalla heliumin tuottajista on ollut omia toimitusongelmia. Nämä kaksi asiaa yhdessä tarkoittavat, että heliumia ei ole yhtä paljon.
mistä heliumia edes saa?
heliumia löytyy yleensä paikoista, joissa on maakaasua. Ongelmana on, että heliumia voi olla vaikea lisätä muusta kaasusta. Se on helpointa, kun louhitaan ”kuivaa” maakaasua (en todellakaan tiedä eroa kuivan ja ei-kuivan kaasun välillä – menen vain sen mukaan, mitä minulle kerrottiin). Yleensä maakaasua saavat kuitenkin energiayhtiöt. Heille he haluavat ”märkää” maakaasua. Tämä on osa heliumin saamisen ongelmaa.
tarkoittaako tämä, ettei enää syntymäpäiväpalloja?
heliumin kokonaiskäyttöön nähden syntymäpäiväpalloissa käytetty määrä on melko pieni. Paljon isompia käyttökohteita ovat sääpallot ja asioiden jäähdyttäminen nestemäisellä heliumilla. Useimmat ihmiset ovat kuitenkin todennäköisesti samaa mieltä siitä, että pula-aikoina syntymäpäiväpallot ovat melko matalalla prioriteetilla. Joten kyllä, sinun on vaikea löytää heliumia ilmapalloillesi. Ne voisi täyttää vetykaasulla.
entä nestemäinen helium?
ensisijainen syy nestemäisen heliumin käyttöön on sen kylmyys. Tosi kylmä. Normaalissa ilmanpaineessa nestemäinen helium kiehuu vain 4,2 Kelvinin (-452,11 Fahrenheit) lämpötilassa. Niin. Kylmää. Mihin noin kylmää tarvitaan? Superjohtavia magneetteja. Joillekin materiaaleille, kun saat ne tarpeeksi kylmiksi, materiaalin vastus menee nollaan ohmiin. Tämä tarkoittaa, että voit ajaa jonkin verran virtaa sen läpi ja materiaali toimii magneetin tavoin. Ei mikä tahansa magneetti, vaan supervahva magneetti.
kuka tarvitsee supermagneettia? Kaksi yleisintä käyttötarkoitusta ovat Ydinmagneettiseen Resonanssispektroskopiaan (NMR) ja magneettikuvaukseen (MRI). Sanotaan vain (toistaiseksi), että sekä NMR-että MRI-instrumentit käyttävät suuria magneettikenttiä vuorovaikutuksessa näytteen ydinominaisuuksien kanssa. Näin saat paikkatietoa (magneettikuvauksessa) tai koostumustietoa (NMR). Tiedän, että tuo on varmaan kamala vastaus, mutta sen pitäisi riittää toistaiseksi.
mitä tapahtuu, jos lopetat nestemäisen heliumin laittamisen NMR: ään?
nesteheliumia laitetaan NMR: ään ja se pitää magneetin kylmänä. Se tietenkin tekee näin, koska osa heliumista tekee faasimuutoksen nesteestä kaasuksi ja se vie energiaa. Tämä energia tulee magneetista, joka laskee lämpötilaa. Jos se olisi täydellisesti eristetty, ongelmaa ei olisi. Mutta se ei ole täydellinen. Helium haihtuu magneetin lämpötilan ylläpitämiseksi. Southeastern Louisiana Universityn NMR: ää varten sinun on lisättävä noin 30 litraa nestemäistä heliumia kahden ja puolen kuukauden välein.
mutta mitä tapahtuu, jos ei onnistu. eikö se vain toimi? Jos et tee sitä, pahoja asioita tapahtuu. Muista, että suprajohtavassa Magneetissa on jatkuva virta. Se pystyy pitämään tasaisen virran ilman virtalähdettä, koska vastus on nolla. Kun se lämpenee, sillä ei ole enää nollavastusta. Kun resistanssi on olemassa, lämpöenergia kasvaa, mikä lisää resistanssia. Magneetillemme 49 kjoulea energiaa varastoituu virtaan ja tämän energian on mentävä jonnekin, kun magneetti lämpenee. Tätä prosessia kutsutaan ”sammuttamiseksi”. Kun magneetti kuumenee, yhä suurempi osa nestemäisestä heliumista (ja yleensä siinä on nestemäistä typpeä, joka auttaa pitämään nestemäisen heliumin viileänä) kiehuu pois melko nopeasti. Tässä on esimerkki.
Oh – ja kyllä, magneettia voi lämmittää ilman, että ikäviä asioita tapahtuu. Ei ole kuitenkaan helppoa saada sitä takaisin toimintakuntoon.
miten tehdään nestemäistä heliumia?
se ei ole helppoa. Heliumpalloa ei voi laittaa pakastimeen, ennen kuin se muuttuu nesteeksi. Niin voisi, jos olisi tarpeeksi kylmä pakastin. Ongelma on se, että pakastin pitäisi pitää kylmänä vaikkapa nestemäisellä heliumilla. Selitän prosessia yksinkertaistaen.
aloitan esimerkillä. Ota iso muoviruisku. Laita sormi pään päälle ja purista kaasu sisään. Saatat huomata, että putki lämpenee. Jos pidät sitä näin jonkin aikaa, putki (ja sen sisällä oleva kaasu) jäähtyy huoneenlämpöiseksi. Vedä mäntä takaisin ulos kaasun laajentamiseksi. Kun kaasu laajenee, se kylmenee.
heliumia varten otetaan kaasu ja tiivistetään se. Sitten jäähdytät paineistetun kaasun ja annat sen laajentua. Juuri noin. Teet tätä yhä uudelleen, kunnes saat Kaman tarpeeksi kylmäksi. On olemassa joitakin temppuja, mutta se on perusajatus.
Ettekö voisi kierrättää heliumia NMR: stä?
Kyllä Tämä on teknisesti mahdollista. Se on kuitenkin myös teknisesti erittäin kallista. Tarvitset jonkin laitteen vangitsemaan heliumin, kun se muuttuu kaasuksi. Sitten sinun pitäisi kerätä se ja ajaa se helium nesteyttimeen. Nämä nesteytykset ovat todella kalliita. Suurin osa laitoksista saa lisää nestemäistä heliumia parin kuukauden välein.
kuva: crdotx / Flickr