观看氦气把气球升入空中是一件很有趣的事情——如果气球是一个小孩的，他会把气球放飞，这可能是一场悲剧。还有，谁没有从气球中吸过氦气，然后像唐老鸭一样嘎嘎叫呢？尽管如此，这并不是最明智的做法，因为氦会取代我们肺部的空气（主要为氧气），或者引起呼吸方面的其他问题。除了气球和让我们的声音吱吱作响之外，氦还有什么用呢？是否应该关心我们是否耗尽了气态物质？
充满氦气的气球缓缓地飘向天空，图片：magicinfoto/Shutterstock
博科园-科学科普：氦是一种气体，和人类几乎没有什么共同之处，这也许并不奇怪，但我们仍然需要彼此。21世纪的经济依赖于氦气，氦气需要人类想出更好的保护策略，以免我们用完所有的能源。150年前法国天文学家Jules Janssen在一次日全食中首次发现了稀有气体——氦气。他将氦命名为“helios”，因为当时地球上还没有发现氦。
这种高分辨率MRI图像在没有氦冷却磁铁情况下是不可能的。图片：MriMan/Shutterstock
从那以后，关于氦的科学研究取得了无数进展；从医学到天体物理学等学科使用的现代分析工具，更不用说我们随身携带的手机了，如果没有制造过程中使用的氦，就不可能实现。科罗拉多州立大学的一名研究科学家，工作地点位于落基山脉的山脚下，是公羊的家。在氦的帮助下，以及全世界的同行们正在进行科学发现，这些发现丰富了全球社区——所有这些都依赖于氦所提供的独特物理特性。
地球上的氦气是有限的
你可能还记得几年前，当氦短缺的报告浮出水面时，以及定期报告(包括今年的一些报告)指出全球供应紧张。那么，这场危机值得全求关注吗？氦从一开始就存在，并在大爆炸后不久形成，氦是宇宙中第二轻也是第二常见的元素，仅次于氢。然而，地球上的氦并不多，只有百万分之几。问题是氦核太轻了，以至于我们地球的引力无法束缚它。氦一旦进入地球大气层，就会逃逸到太空的真空中，从地球上消失，并随着太阳风一起被吹走。
德克萨斯州阿马里洛外的联邦氦气项目悬崖边气田的粗氦浓缩装置。图片：US Bureau of Land Management via Wikimedia Commons
尽管氦从地球上不断流失，氦的储量直到最近都相当丰富。地球上大部分的氦储备都是在大爆炸时以不同方式形成的。放射性元素，如铀和钍衰变为更小的碎片或粒子，包括非常小的阿尔法粒子。这些粒子是被剥离的氦原子，没有电子，光秃秃的，高能，高电荷。这种放射性元素的衰变称为裂变，因为这种元素分裂成新的子元素，释放出能量。这些放射性元素的衰变补充了大气中丢失的氦，它被困在各种各样的矿物中，并在大型自然形成的气藏中被收集，这些气藏是用来开采，比如德克萨斯州的国家氦储备。然而，这一自然过程需要数千年的时间来产生大量值得商业开采的氦。
为什么我们需要氦？
氦核质量只有4 - 2个质子和2个中子，是一种非常稳定的元素。氦的一些最重要特性对于我们来说是化学惰性的，不活泼，不易燃，无毒，最重要的是，它在4.2开尔文，或负268摄氏度沸腾，接近绝对零度，这是宇宙中最低的温度。在这种温度下，没有其他元素能保持液态。目前还没有其他材料具有氦的独特性质。对于许多工业应用来说，没有比氦更便宜的替代品了。它在航空航天和国防技术、高科技制造、火箭发动机测试、焊接、商业潜水、粒子加速器中的磁体、光纤电缆和手机中发现的半导体芯片的生产中至关重要。
带有惰性气体电子管在高压下被激发时发出不同颜色和不同强度的光，从左到右：氦、氖、氩、氪和氙。图片：Kim Christensen/Shutterstock
然而，氦的唯一最大用途是支持医学成像产业，特别是磁共振成像或MRI，以及高端材料分析，它们利用非常高的磁场来进行核磁共振(NMR)光谱测量。如果没有液氦的超低沸点，这些电场就不可能产生。核磁共振和核磁共振成像设备用于人体成像的关键是使用稳定在4.2 K的超导材料。大多数材料都能阻碍通过它们的电子或电流的流动，这对磁体结构来说是一个问题。
我们使用的每一个电子设备，每一个送电线到墙上插座的电流，以及所有通过电阻力输送电能的基础设施。这种电阻使得产生需要高电流的大磁场变得困难。超导体几乎是不可思议的，它对电子的流动没有阻力，并且有能力产生巨大的磁场，从而实现高分辨率的医学成像。但要使超导体正常工作，必须保持在极低的温度——这是液氦必不可少的地方。
核磁共振扫描仪是重要的医学成像工具，这些机器产生一个巨大的磁场，只有液氦使机器内部的超导体保持低温才有可能。图片：ALPA PROD/Shutterstock
氦和超导体
当线圈绕在一种特殊的超导材料上，然后在液氦中冷却到4.2 K或更低时，临界温度条件得到满足，并且可以向线圈中泵入非常大的电流。迄今为止，最大的稳定磁场是由45特斯拉(即45万高斯)混合动力车产生的，这种所谓的苦超导磁体位于美国佛罗里达大学国家高磁场实验室，这个磁体产生的磁场是地球磁场的150万倍。
Karolien Denef博士和她的儿子Griffin，帮助Christopher Rithner博士将液态氦从低温的dewar转移到超导磁体dewar，用于核磁共振。在医学核磁共振、核磁共振研究和粒子束中，大约三分之一的氦消耗支持高磁场磁体。图片：Christopher Rithner, CC BY-ND
在研究中使用核磁共振技术对实验室新材料发现的物理特性进行指纹识别。其中一些会转化为应对全球卫生挑战的新抗生素等药物，而另一些则转化为可轻易回收的“绿色”结构材料。在能源领域正在取得进展，开发小型、便携式、高能量电池，最终可能减少对碳燃料的依赖。反过来，核磁共振需要大量的氦才能发挥作用。这在短期内不太可能改变。幸运的是，正在更好地管理地球剩余储量，一直在寻找新的储量，正在学习如何在氦气在太空中消失之前回收利用。
开始了解如何制造在更高、更容易获得温度下进行超导的新材料。所有这些发展都需要时间和金钱。不幸的是，回收操作需要大量的能源和燃烧煤炭。与此同时，需要继续寻找这种宝贵资源的更多来源，并制定更好的回收策略。在这个方向上，可以通过购买更少的聚会气球来采取个人小步骤。另一方面，这只是我们消耗氦的很小一部分，它所提供的纯粹快乐是一个很小的代价。当你下次看到派对用气球载着氦气飞向天空时，你要考虑一下这个问题。
博科园-科学科普｜文：Christopher Rithner/Conversation
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