氦元素开发利用新技术
姚虹聿
一项最新研究显示，地核中可能存在大量氦元素。科学家正在为开采并利用这种重要而稀有的元素作出各种尝试和努力。
地核中可能存在大量氦元素
氦元素可确保核磁共振设备正常工作
地核中可能存在大量氦元素
英国剑桥大学的一项最新研究显示，地球上极为罕见的氦气，正从金属地核中向外泄漏。研究人员将氦元素的泄漏率与大气容量模型结合在一起，其运算结果显示，地核中有约1万亿千克的氦元素——这个数量非常庞大，也说明地球是在氦气浓度很高的太阳星云中形成的。
剑桥大学的研究人员指出，该模型模拟了地球形成和演化期间的气体运动情况，也说明地核中存在大量氦元素。宇宙中的绝大部分氦-3都是在138亿年前大爆炸发生后不久时形成的，其中一部分与其它气体和尘埃一起，成为太阳星云的一部分。太阳星云是一团体积巨大、不断旋转的气体云，被认为是太阳系的前身。
此前科学界已经知道，每年有少量氦元素从地球内部逸散出来，主要沿板块交界处的海面释放。人们并不清楚有多少氦元素来自地核、有多少来自地幔，也不清楚地球内部究竟储存了多少氦。剑桥大学的研究有望揭开这个秘密，从而为人类开采并利用更多的氦元素奠定基础。
氦元素的用途
氦气充入气球，能让它升上高空;把氦气吸进嘴巴里，能变出唐老鸭般搞笑的嗓音。不过，吸入氦气可不是明智之举，因为它会取代肺中的部分氧气，引发呼吸问题。以上是人们对氦气的普遍认知。
其实，氦元素的重要特性包括：极难发生化学反应、不具有放射性、不可燃烧、无毒，最关键的一点是，其气化点低至零下268摄氏度，接近宇宙中的温度下限——绝对零度。其他元素在该温度下都不可能保持液体状态。氦是目前唯一一种具有这些特性且能够为人类所用的元素。
由于化学性质不活泼，氦气常被作为保护气使用。氦气在电弧温度条件下的惰性，使其成为铝、不锈钢、铜和镁合金等高导热性材料焊接的理想气体，还可用作热处理过程中的淬火气体以及熔炉气体，提升零件质量。
在航空航天领域，氦气被广泛应用于从飞机制造到飞行的整个过程;宇宙飞船太空飞行作业中，使用氦气净化氢气系统;地面和飞行流体系统将其用作增压剂;此外，氦气还用作气象和其他观测气球的升力源。
在汽车及运输设备领域，氦气应用于散热器、换熱器、空调组件、燃料箱和变矩器等重要汽车部件的测试，以确保其符合质量要求。此外，氦气还可与氩气配合使用，越来越多地被用于安全气囊的充气操作。
在电子制造领域，氦气在半导体、液晶面板和光纤制造中起着重要作用，可实现零部件的快速冷却，从而提高生产率，还能控制热传递速率，以提高生产效率并减少缺陷。
氦最重要的用途当属医学成像，尤其是磁共振成像技术（MRI），以及利用高强度磁场的核磁共振技术（NMR）。若不是因为氦气沸点极低，这些技术都不可能得到应用。
超导体材料是磁共振和核磁共振设备的关键，这些材料在极低的温度下才能保持稳定。电子从材料中流过产生电流时，大多数材料都会产生电阻，这对磁装置而言是一大问题。我们使用的每一样电子设备，以及运输电力的所有基础设施都会因为电阻损失能量。由于电阻的存在，很难用高强度电流产生高强磁场。超导体不会阻碍电子的流动，因此能产生极强的磁场，可以进行高分辨率医学成像。超导体材料要想发挥正常功能，就必须被放置在超低温环境中——这也正是液氦不可或缺的原因。
把导线缠绕在特制的超导材料上，再将其放置在液氦中冷却，便可达到超导体所需的特殊温度条件，就可向线圈中通入高强度电流。
目前全球最大的稳定磁场位于美国佛罗里达大学国家高强磁场实验室，由一块超导磁铁产生，其磁场强度高达地球磁场的150万倍。
近年来，氦元素还在一些新的领域得到应用。科学家利用核磁共振技术分析实验室中发现的新材料的物理特性。有些材料可以研发新药，例如能够解决全球健康问题的新型抗生素;有些材料可以用于建造绿色建筑。
在能源领域，氦元素也有新的贡献——科学家利用它研发出了更小、更便携、能量更高的电池，可以减轻我们对化石燃料的依赖。
除了以上用途，氦元素还有一个重要用途。1996年，科学家发现氦-3可以作为核聚变原料。其核聚变反应不生成中子，所以几乎无放射性，而且使用氦-3作为原料，核聚变反应的过程更容易被掌控，从而使人类以安全、高效、环保的方式运行核聚变反应堆。它比用氢做原料进行核聚变还要安全、清洁，能源利用率也更高。因此，有科学家认为，即使将氦-3核电站建在城市中的闹市区，也是很安全的。这种可控型核聚变反应，能够确保人类在数千年内都不会面临能源危机。
寻找更多的来源
了解了这些，我们能够知道，氦元素的用途极为广泛。因储量不足，如何更好地保护氦资源，以及开发新的氦资源，都是非常重要的。
各国科学家都在研究，在氦气逃逸到太空中之前，如何更好地加以回收利用。将使用过的氦气重新收集起来，对其进行净化处理，将杂质脱除。这需要根据杂质的种类及其性质，采用适当的纯化措施，使回收的氦气恢复纯净。
氦气的回收和再利用存在一些问题。比如氦气因为自身密度小，地球引力场拉不住它，一旦泄漏到空气中，很快便会从大气层逃逸，飘散到外太空，很难回收。这些工作费时费力、成本高昂，而且回收氦气还需要大量化石能源提供的能量。当然，我们可以研发能够在较高的温度下运行的超导体，从而摆脱对氦元素的依赖，但这方面的研究进展缓慢。
科学家还在寻找更多的氦元素来源，以及开发更好的回收方式。前文提到的剑桥大学的最新研究，为从地球内部开采氦元素开启了一扇门。
另有研究表明，在地球的卫星——月球上，存在大量氦元素。科学家估算，约有100万吨氦-3嵌附在月球表层，只须加热到合适的温度，90%以上的氦-3就会释放出来。月球上氦-3的总储量如果都用作核原料来发电，可供人类使用700年！
氦-3罕见于地球，却在月球上大量存在，其主要原因在于，月球40亿年来一直是太阳风粒子的“收集器”，有2亿—5亿吨氦-3粒子嵌入月球表层10—50米的土层中。由于月球的磁场极弱，使氦-3粒子能够在月壤中“安营扎寨”。相比之下，地球上的氦-3粒子在磁场的作用下，沿着磁力线运动，最终被大气层“俘获”。
月球也是“提炼”氦-3的合适场所。那里的环境接近真空、引力小（仅为地球引力的1/6）、温差大（130摄氏度到零下183摄氏度之间），采用合适的方法，能够将月壤加热，将氦-3分离出来。
科学家还大胆设想，氦-3不仅可以作为月球核电站的原料，还能为地球所用。虽然月地距离遥远，但在月球上开采氦-3，然后将其运回地球发电，具备一定的可行性。据估算，宇航飞船从月球运回地球20吨液化氦-3，即可供应3亿人一年所需的电能。
编辑：姚志刚 winter-yao@163.com
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