Uno dei nostri tecnici si lamentava dell’elio. In particolare, elio liquido. Si scopre che uno degli strumenti che ne ha bisogno era basso e stava avendo problemi a ottenere di più. La mia prima risposta è stata – beh, naturalmente non si può ottenere a causa dei problemi di bilancio. No, abbiamo i soldi per l’elio. Invece c’è una carenza di elio. Davvero, questa non è una buona notizia. Perché?
Ok, fammi fare alcune domande e poi rispondere io stesso. Per alcune di queste domande e risposte, sto solo dando una risposta approssimativa. Dovrebbe essere chiaro che non sono un esperto di elio. Questo lo so. Se respiri nei polmoni pieni di elio e poi corri lungo il corridoio per sorprendere qualcuno con la tua voce acuta, sverrai. Giusto Scott?
Perché c’è una carenza di elio?
Onestamente, non conosco tutti i dettagli. Parte della risposta dipende dalla politica. Gli Stati Uniti hanno una riserva nazionale di elio ad Amarillo in Texas. Tuttavia, l’Helium Privatization Act del 1996 mirava a iniziare a vendere questo fuori. Il risultato è che non c’è tanto elio nella riserva.
In cima a questo, alcuni dei produttori di elio hanno avuto i loro problemi di approvvigionamento. I due di questi problemi insieme significano che non c’è tanto elio per andare in giro.
Da dove prendi l’elio?
Di solito puoi trovare l’elio in luoghi dove trovi il gas naturale. Il problema è che può essere difficile extra l’elio dall’altro gas. È più facile quando si estrae gas naturale “secco” (davvero non conosco la differenza tra gas secco e non secco-sto solo seguendo quello che mi è stato detto). Tuttavia, le aziende energetiche sono quelle che di solito ottengono il gas naturale. Per loro, vogliono il gas naturale “bagnato”. Quindi, questo è parte del problema con l’assunzione di elio.
Questo significa non più palloncini di compleanno?
In termini di utilizzo totale di elio, la quantità utilizzata nei palloncini di compleanno è abbastanza piccola. Usi molto più grandi sono per palloncini meteorologici e cose di raffreddamento con elio liquido. Tuttavia, la maggior parte delle persone sarebbe probabilmente d’accordo che in tempi di carenza palloncini compleanno sono piuttosto bassa priorità. Quindi, sì, avrai difficoltà a trovare l’elio per i tuoi palloncini. Immagino che potresti riempirli di idrogeno gassoso.
Che dire dell’elio liquido?
Il motivo principale per utilizzare l’elio liquido è che è freddo. Super freddo. Alla normale pressione atmosferica, l’elio liquido bolle a una temperatura di soli 4,2 Kelvin (-452,11 Fahrenheit). Yeah. Che freddo. Che cosa ha bisogno di qualcosa di così freddo? Magneti super conduttori. Per alcuni materiali, quando li si ottiene abbastanza freddo la resistenza del materiale va a zero ohm. Ciò significa che è possibile eseguire una certa corrente attraverso di essa e il materiale agirà come un magnete. Non solo qualsiasi magnete, ma un super forte magnete.
Chi ha bisogno di un super magnete? I due usi più comuni sono per la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) e la risonanza magnetica (MRI). Diciamo solo (per ora) che sia gli strumenti NMR che MRI utilizzano grandi campi magnetici per interagire con le proprietà nucleari del campione. In questo modo, è possibile ottenere dati spaziali (nella risonanza magnetica) o dati di composizione (NMR). So che probabilmente è una risposta terribile, ma dovrebbe essere abbastanza buono per ora.
Cosa succede se si smette di mettere elio liquido in un NMR?
Si mette l’elio liquido nel NMR e mantiene il magnete freddo. Naturalmente, lo fa perché parte dell’elio fa la transizione di fase da un liquido a un gas e che prende energia. Questa energia viene dal magnete facendolo diminuire in temperatura. Se la cosa fosse perfettamente isolata, non ci sarebbe alcun problema. Ma non è perfetto. Quindi, l’elio continua ad evaporare per mantenere la temperatura del magnete. Per l’NMR della Southeastern Louisiana University, è necessario aggiungere circa 30 litri di elio liquido ogni due mesi e mezzo.
Ma cosa succede se non lo fai. Non funzionerà? Beh, se non lo fai, succedono cose brutte. Ricorda, c’è una corrente costante in questo magnete superconduttore. Può mantenere una corrente costante senza una fonte di alimentazione perché la resistenza è zero. Quando si riscalda, non ha più una resistenza zero. Quando c’è una resistenza, c’è un aumento di energia termica che aumenta la resistenza. Per il nostro magnete, 49 kJoules di energia è immagazzinata nella corrente e questa energia deve andare da qualche parte quando il magnete si riscalda. Questo processo è chiamato “tempra”. Quando il magnete si scalda, sempre più dell’elio liquido (e di solito c’è un po ‘ di azoto liquido per aiutare a mantenere l’elio liquido fresco) bolle piuttosto rapidamente. Ecco un esempio.
Oh-e sì, c’è un modo per riscaldare il magnete senza che accadano cose brutte. Tuttavia, non è facile tornare alla condizione di lavoro.
Come si fa a fare elio liquido?
Non è facile. Non puoi semplicemente mettere un palloncino di elio in un congelatore finché non si trasforma in un liquido. Beh, immagino che potresti farlo se avessi un congelatore abbastanza freddo. Il problema è che il congelatore dovrebbe essere tenuto freddo con elio liquido o qualcosa del genere. Permettetemi di spiegare il processo in termini più semplificati.
Vorrei iniziare con un esempio. Prendi una di quelle grandi siringhe di plastica. Basta mettere il dito sopra la fine e comprimere il gas all’interno. Si potrebbe notare che il tubo diventa più caldo. Se lo tieni così per un po ‘ di tempo, il tubo (e il gas all’interno) si raffredderanno a temperatura ambiente. Ora estrarre lo stantuffo per espandere il gas. Quando il gas si espande, diventa più freddo.
Per l’elio, prendi il gas e comprimilo. Quindi si raffredda il gas compresso e lo si lascia espandere. Ecco fatto. Continua a farlo piu ‘e piu’ volte finche ‘ la roba non si raffredda abbastanza. Ci sono alcuni trucchi, ma questa è l’idea di base.
Non si potrebbe riciclare l’elio dal NMR?
Sì, questo è tecnicamente possibile. Tuttavia è anche tecnicamente molto costoso. Si avrebbe bisogno di avere qualche dispositivo per catturare l’elio come si trasforma in un gas. Allora si avrebbe bisogno di raccoglierlo ed eseguirlo in un liquefattore di elio. Questi liquefattori sono davvero costosi. Quindi, la maggior parte delle strutture riceve più elio liquido ogni due mesi.
Immagine: crdotx/Flickr