az egyik technikusunk panaszkodott a héliumra. Különösen folyékony hélium. Kiderült, hogy az egyik eszköz, amire szüksége volt, alacsony volt, és nehezen tudott többet szerezni. Az első válaszom az volt – Nos, természetesen nem kaphatja meg a költségvetési kérdések miatt. Nem, van pénzünk héliumra. Ehelyett hiányzik a hélium. Tényleg, ez nem jó hír. Miért?
Ok, hadd tegyek fel néhány kérdést, majd válaszoljak rájuk magam. Ezekre a kérdésekre és válaszokra csak hozzávetőleges választ adok. Egyértelműnek kell lennie, hogy nem vagyok a hélium szakértője. Ezt tudom. Ha belélegzi a héliummal teli tüdőt, majd lefut a folyosón, hogy meglepjen valakit a magas hangjával, elájul. Igaz Scott?
miért van héliumhiány?
őszintén szólva, nem ismerem az összes részletet. A válasz egy része a politikától függ. Az Egyesült Államok Nemzeti Héliumtartalékkal rendelkezik Amarillo Texasban. Az 1996-os hélium privatizációs törvény azonban ennek eladását tűzte ki célul. Az eredmény az, hogy nincs annyi hélium a tartalékban.
Ezen felül néhány héliumtermelőnek saját ellátási problémái voltak. A két ilyen kérdés együttesen azt jelenti, hogy nincs annyi hélium, hogy megkerülje.
egyébként honnan van hélium?
általában héliumot talál olyan helyeken, ahol földgázt talál. A probléma az, hogy nehéz lehet a héliumot a másik gázból pótolni. A legegyszerűbb a “száraz” földgáz bányászatakor(tényleg nem tudom a különbséget a száraz és a nem száraz gáz között – csak azt mondom, amit mondtak). Az energiavállalatok azonban általában földgázhoz jutnak. Számukra a “nedves” földgázt akarják. Tehát ez része a hélium megszerzésének problémájának.
ez azt jelenti, hogy nincs több születésnapi lufi?
a teljes héliumfelhasználást tekintve a születésnapi léggömbökben felhasznált mennyiség meglehetősen kicsi. Sokkal nagyobb felhasználási lehetőségek az időjárási léggömbök és a folyékony hélium hűtése. A legtöbb ember azonban valószínűleg egyetért abban, hogy hiány idején a születésnapi léggömbök meglehetősen alacsony prioritásúak. Tehát igen, nehéz lesz héliumot találni a léggömbökhöz. Azt hiszem, meg tudná tölteni őket hidrogén gázzal.
mi a helyzet a folyékony héliummal?
a folyékony hélium használatának elsődleges oka az, hogy hideg. Nagyon hideg. Normál légköri nyomáson a folyékony hélium csak 4,2 Kelvin (-452,11 Fahrenheit) hőmérsékleten forr. Igen. Ez hideg. Minek kell ilyen hideg? Szuper vezető mágnesek. Egyes anyagok esetében, ha elég hideg lesz, az anyag ellenállása nulla ohmra megy. Ez azt jelenti, hogy valamilyen áramot futtathat rajta, és az anyag mágnesként fog működni. Nem akármilyen mágnes, de egy szuper erős mágnes.
kinek kell egy szuper mágnes? A két leggyakoribb felhasználási terület a magmágneses rezonancia spektroszkópia (NMR) és a mágneses rezonancia képalkotás (MRI). Mondjuk (egyelőre), hogy mind az NMR, mind az MRI műszerek nagy mágneses mezőket használnak a minta nukleáris tulajdonságaival való kölcsönhatáshoz. Ezzel térbeli adatokat (az MRI-ben) vagy összetételi adatokat (NMR) kaphat. Tudom, hogy ez valószínűleg szörnyű válasz, de egyelőre elég jónak kell lennie.
mi történik, ha abbahagyja a folyékony hélium NMR-be helyezését?
a folyékony héliumot az NMR-be helyezzük, és ez hidegen tartja a mágnest. Természetesen ezt azért teszi, mert a hélium egy része fázisátmenetet hajt végre folyadékból gázba, és ez energiát igényel. Ez az energia a mágnesből származik, így csökken a hőmérséklet. Ha a dolog tökéletesen szigetelt lenne, nem lenne probléma. De nem tökéletes. Tehát a hélium folyamatosan elpárolog, hogy fenntartsa a mágnes hőmérsékletét. A Délkelet-Louisiana Egyetem NMR – jéhez két és fél havonta körülbelül 30 liter folyékony héliumot kell hozzáadnia.
de mi történik, ha nem. csak nem fog működni? Ha nem teszed meg, rossz dolgok történnek. Ne feledje, hogy ebben a szupravezető mágnesben állandó áram van. Áramforrás nélkül képes állandó áramot tartani, mert az ellenállás nulla. Amikor felmelegszik, már nincs nulla ellenállása. Ellenállás esetén növekszik a hőenergia, ami növeli az ellenállást. A mágnesünk számára 49 kjoule energiát tárolnak az áramban, és ennek az energiának valahova el kell mennie, amikor a mágnes felmelegszik. Ezt a folyamatot “kioltásnak”nevezik. Amikor a mágnes felforrósodik, egyre több folyékony hélium (és általában van némi folyékony nitrogén, amely segít megőrizni a folyékony héliumot) meglehetősen gyorsan felforr. Itt van egy példa.
Ó – és igen, van egy módja annak, hogy felmelegítsük a mágnest anélkül, hogy rossz dolgok történnének. Azonban nem könnyű visszaállítani a működő állapotba.
hogyan készítsünk folyékony héliumot?
nem könnyű. Nem tehet csak egy hélium ballont a fagyasztóba, amíg folyadékká nem válik. Azt hiszem, megtehetnéd, ha lenne elég hideg fagyasztód. A probléma az, hogy a fagyasztót hidegen kell tartani folyékony héliummal vagy ilyesmi. Hadd magyarázzam el a folyamatot leegyszerűsítve.
hadd kezdjem egy példával. Vegyen be egy nagy műanyag fecskendőt. Csak tegye az ujját a végére, és nyomja össze a gázt. Észreveheti, hogy a cső melegebb lesz. Ha egy ideig így tartja,a cső (és a benne lévő gáz) szobahőmérsékletre hűl. Most húzza vissza a dugattyút, hogy kiszélesítse a gázt. Amikor a gáz kitágul, hidegebb lesz.
a hélium esetében vegye be a gázt és tömörítse. Ezután hűtsük le a sűrített gázt, és hagyjuk tágulni. Ez az. Addig csinálod ezt újra és újra, amíg elég hideg nem lesz. Van néhány trükk, de ez az alapötlet.
nem tudná újrahasznosítani a héliumot az NMR-ből?
igen, ez technikailag lehetséges. Ugyanakkor technikailag is nagyon drága. Szüksége lenne valamilyen eszközre, hogy elfogja a héliumot, amikor gázzá válik. Akkor meg kell gyűjteni, és futtatni egy hélium cseppfolyósító. Ezek a cseppfolyósítók nagyon drágák. Tehát a legtöbb létesítmény csak néhány havonta több folyékony héliumot kap.
kép: crdotx / Flickr