地球上He要用完了,怎么辦?
我們常常能在街頭看到手中舉著氣球的孩子們,無論在什么年代,這種簡(jiǎn)單的玩具都是孩子們的心頭好。氣球之所以能漂浮在空氣中,是因?yàn)槔锩嫣畛渲芏缺瓤諝庑〉臍怏w,比如和he。10年前,he球遍布大街小巷,he無色無味也不會(huì)燃燒,填充在氣球里安全無害。可是現(xiàn)在的氣球不再那么安全,其中填充的氣體變成了,遇火可以燃燒,大量氣球集中破裂的話甚至有爆炸的危險(xiǎn)。氣球內(nèi)填充的氣體為什么要換成呢?
少有的he
氣球改變的原因很簡(jiǎn)單,相較于10年前,he的成本翻了三倍都不止,氣球這種廉價(jià)小玩具自然充不起“高檔”的he。那么,he為什么變得這么貴呢?he算是真正意義上的“進(jìn)口貨”,人們是在地球之外發(fā)現(xiàn)它的存在的。1868年8月,法國天文學(xué)家彼埃爾·讓桑在印度南部觀測(cè)日全食時(shí),意外發(fā)現(xiàn)太陽光譜里面有一條陌生的明亮黃線。近乎同時(shí),英國天文學(xué)家約瑟夫·洛基爾也獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了這條黃線,并把發(fā)出黃光的這種元素命名為“he”。此后的20多年間,人們都沒能在地球內(nèi)找到he,它就像一顆掛在天上的寶石,可望而不可即。
1895年,英國化學(xué)家威廉·拉姆塞從一種含鈾礦物中分離出了一種無色無味的氣體,經(jīng)過光譜分析,他驚喜地發(fā)現(xiàn),那正是此前在太陽光中發(fā)現(xiàn)的“he”,人們終于在地球上也找到了he!當(dāng)然,這時(shí)候人們還不知道he能做什么用,只知道它是一種比空氣輕的氣體,那么就拿來充和氣球吧,從地層中辛苦找到的he就這樣放上了天。作為分子量?jī)H小于的元素,he是宇宙大爆炸后較早產(chǎn)生的物質(zhì)之一,它在宇宙物質(zhì)中的豐度也僅次于,約占宇宙物質(zhì)總量的四分之一。但是he密度很小,又是一種化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的元素,幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),所以宇宙中原生的he和太陽光**出的he也無法保留在地球上。
地球上一的he來源只有放射性物質(zhì)礦區(qū)。地球在誕生之初的熔融狀態(tài)下,在地幔和地核中封印了一些放射性元素,這些放射性元素在衰變的過程中會(huì)不斷釋放出α粒子,這些α粒子實(shí)質(zhì)就是兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的he-4原子核,也就是我們需要的he。這些he在地下積累,人們?cè)诖笠?guī)模開采放射性礦產(chǎn)的過程中就能收集到he?,F(xiàn)在地球上he儲(chǔ)量較豐富的地方只有美國和卡塔爾等少數(shù)地區(qū)的礦區(qū),我們既找不到he的更多產(chǎn)區(qū),也沒有制造he的方法,漸漸地he就越用越少了,價(jià)格也逐年上漲。
現(xiàn)代社會(huì)的he
he價(jià)格水漲船高的原因不僅是儲(chǔ)量漸少,還因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)了he除了充氣球之外更多**的功能。**導(dǎo)磁體是指在低溫條件下原子核的運(yùn)動(dòng)停止、電阻幾乎消失的一類金屬線圈。**導(dǎo)磁體能高效地傳輸電能且?guī)缀醪划a(chǎn)生熱量,是磁懸浮列車、核磁共振成像儀和高能粒子對(duì)撞機(jī)等高新設(shè)備的零件。但是,能制成**導(dǎo)磁鐵的金屬都必須在**低溫的環(huán)境中才能達(dá)到**導(dǎo)狀態(tài),比如常被制成**導(dǎo)體的鈮鈦合金就要求周邊環(huán)境溫度為-268.8℃,只有液he能實(shí)現(xiàn)這樣的低溫。各類高新設(shè)備的**導(dǎo)磁體消耗了地球上的大部分he,比如長達(dá)27千米的歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就用了大約130噸液he將其中的**導(dǎo)磁體冷卻到-271.3℃,這130噸液he就占到**he產(chǎn)量的1%,較別提世界各地的磁懸浮列車和醫(yī)院中的核磁共振成像儀用到的液he了。he還經(jīng)常作為保護(hù)氣體被填充到原子反應(yīng)堆和、激光器等設(shè)備中,隔絕氧氣以保護(hù)金屬不被氧化,工業(yè)上在冶煉和焊接金屬時(shí)也常用he隔絕氧氣。因?yàn)閔e擴(kuò)散性能較強(qiáng),較微量的逸散也很*被檢出,所以還可填充到密封的機(jī)器設(shè)備中,比如宇宙飛船和火等,用于檢測(cè)它們的密封性能。
he還有一個(gè)非常有意思的用途。許多人都有過吸一口he,說話聲音就變得又尖又細(xì)的經(jīng)歷,其實(shí)進(jìn)行長時(shí)間深度潛水作業(yè)的人剛剛上岸時(shí)說話就是這樣的,正是因?yàn)樗麄兾肓艘欢康膆e。人們?cè)谶M(jìn)行深度潛水時(shí),人體受到的壓力增大,空氣溶入血液的量變多,空氣的主要成分——在體內(nèi)的量也就越多。當(dāng)在血液中的分壓達(dá)到一定的高度時(shí),人就會(huì)出現(xiàn)麻醉甚至昏厥的現(xiàn)象,俗稱“氮醉”,這在潛水過程中是很危險(xiǎn)的。而he在血液中的溶解度很低,即使高壓的情況下也不會(huì)大量滯留在人體內(nèi),因此,人們?cè)谘鯕夤拗屑尤肓薶e代替,就可以避免進(jìn)行長時(shí)間深度潛水的人出現(xiàn)氮醉現(xiàn)象。生活中,我們較常與he接觸的地方是在超市,收銀處使用的條形碼掃描器正是用了hene激光器進(jìn)行識(shí)別。hene激光器中充入了體積比約為10∶1的he和ne,在受到光線照射時(shí),he傳遞匯聚光能,ne受激產(chǎn)生輻射,**出激光。hene激光器作為較早出現(xiàn)的氣體激光器,造價(jià)*,能量消耗少,因此廣泛用于各種條形碼掃描器中。除了條形碼掃描器,hene激光器也被用在顯微鏡、光譜儀和光盤驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備中。
開源節(jié)流保he
一方面是日益減少的he庫存,另一方面是逐漸擴(kuò)大的he用量。供不應(yīng)求的情況下,he的漲價(jià)是不可避免的事??杉词谷绱耍凑漳壳暗氖褂昧縼碚f,地球上的he庫存大約也只夠用20年了。面對(duì)這種情況,科研人員紛紛開動(dòng)著腦筋。較直接的辦法就是節(jié)流,現(xiàn)在醫(yī)院里常用的核磁共振儀基本安裝著密閉性良好、減少蒸發(fā)量的液he裝置,大大減少了液he的需求量。2014年,我國的科學(xué)家研發(fā)出了首臺(tái)工業(yè)he循環(huán)使用系統(tǒng),可以回收工業(yè)生產(chǎn)中使用過的含有雜質(zhì)的he并提純,然后再次利用。目前這套系統(tǒng)的提純能力已達(dá)到可將純度僅為10%的he提純至99.5%以上純度的程度。既然**導(dǎo)磁體是he使用的大頭,那么有沒有辦法能減少這一領(lǐng)域he的使用量呢?更多的科學(xué)家嘗試用其他的制冷方式來代替液he制冷,用無液he的制冷機(jī)來達(dá)到**導(dǎo)磁體的工作溫度。較近,浙江寧波諾丁漢大學(xué)和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院等多個(gè)科研單位聯(lián)合開發(fā)的使用無液he**導(dǎo)磁體的核磁共振成像儀已經(jīng)投入使用了。這臺(tái)成像儀的**導(dǎo)磁體用、安全性高的銅帶代替了原來的制冷劑液he,通過直接傳導(dǎo)冷卻技術(shù)制冷。當(dāng)然,開源才是保證he源源不絕的根本方法。地球大氣中含有約0.0005%的he,盡管很少,但在he供不應(yīng)求時(shí),人們還是會(huì)利用氣體的沸點(diǎn)不同的原理,將he從大氣中分離出來。就在這樣苦巴巴的日子中,人們竟然在月球中發(fā)現(xiàn)了大量的he。原來,因?yàn)樵虑蜃陨頉]有磁場(chǎng),太陽輻射出來的he粒子能在月壤內(nèi)“安營扎寨”。相比之下,輻射到地球上的he粒子在地球磁場(chǎng)的作用下,沿著地球磁力線慢慢擴(kuò)散,較終通過大氣層泄漏到外太空了??茖W(xué)家計(jì)算發(fā)現(xiàn),將月壤加熱到80℃,大約2億噸的月壤中能提取出1噸的he元素,而等量的地球土壤僅能生產(chǎn)10千克he。隨著我們開發(fā)月球進(jìn)程的加快,也許未來月球能成為波斯灣似的能源基地,我們就能擺脫he不足的危機(jī)。
曾經(jīng)我們開心地玩著he球的日子里,應(yīng)該沒人能想到不過十幾年,我們就要面對(duì)無he可用的困境吧?除了he之外,又有多少資源危機(jī)即將來臨呢?珍惜資源不止是一句口號(hào),而是**我們未來幸福生活的較優(yōu)選擇。
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