氦是周期表中唯一一个首先在地球之外被观测到的元素,人们在观测太阳光谱时察觉到了这种元素的踪迹。然而,虽然浩瀚的宇宙中蕴含着丰富的氦资源,地球上的氦却少得可怜。1903年,位于堪萨斯州的德克斯特小镇探查到了储量丰富的地下气体资源。当地人为此沉浸在欣喜中,大家普遍认为这应是可以用作能源的天然气,而能源意味着财富和就业机会。人们兴奋地相聚在一起,围观气井的点火试气。
通常,天然气中主要成分为甲烷,十分易燃。然而让众人大失所望的是,这里采出的地下气体竟然无法被点燃。气体样品随后被送去堪萨斯大学检测,科学家发现这里的“天然气”含有一种未知的惰性成分。正所谓“塞翁失马,焉知非福”,当时的人们难以料想,此处蕴藏的“拒绝燃烧”的未知气体,日后被证实是一种比天然气更加珍贵的战略资源。
这种未知气体便是稀有元素氦(Helium),它的原子序数为2,我们可以很容易在元素周期表的右上角找到它。
氦是周期表中唯一一个首先在地球之外被观测到的元素。人们在观测太阳光谱时察觉到了这种元素的踪迹。1868年,法国天文学家皮埃尔·让森在印度观测日食时,首先注意到一条波长为587.49 nm的未知谱线。
因为氦587.49 nm的谱线与钠黄光的589nm非常接近,人们还误以为氦是与钠性质相近的一种金属。英国科学家诺曼·洛克耶,同年也在太阳光谱中发现了这条黄线。凭借敏锐的洞察力,他推测这条谱线应来自太阳上的一种新的元素,并取名为“helium” (源自希腊语太阳“helios”),简称“He”。浩瀚的宇宙中蕴含着丰富的氦资源,氦可以占到宇宙中总元素质量的四分之一。
然而,地球上的氦却少得可怜,氦气的体积分数只占地球大气的约0.0005%。直到1869年门捷列夫创建最初的元素周期表时,氦元素的位置还是空缺的。
从“副产品”到“战略资源”,接下来的故事,就回到文章开头提到的1905年在美国小镇的意外发现了。美国一些原本认为是天然气的气田中,发现了储量可观的氦气资源。
这些氦气资源主要由含有放射性元素的矿石(例如钍和铀)的天然衰变产生,在地下密闭的空间里氦气无处逃逸,于是可以被富集到高达7%的浓度,具备开采价值。正当科学家思考这种天然气气田的副产品有什么特别用途时,第一次世界大战的爆发很快为氦气找到了的用武之地——利用其密度比空气小的特性为气艇提供浮力,用以侦查和轰炸敌方领地。更重要的是,相比另一种可以提供浮力的气体氢气,氦气因不易燃烧,保障了飞艇的安全性。
至此,美国政府开始将其视为一种独特的战略资源加以储备,甚至在1927年颁布了氦气控制法令,禁止氦气出口。
如今,氦气的应用已经远不止一种提供浮力的气体。液氦因其沸点接近绝对零度(-268.9℃),成为核磁共振仪器中维持磁体超导状态的必备,它在低温控制领域已经成为占比最大的应用(~30%)。
其他一些应用还包括:深潜员携带的气瓶中混有适当比例的氦气以防止“减压病”和“氧中毒”的发生(因其在血液中溶解度很低);氦气常作为示踪气体用于高精度的容器检漏(因其扩散速度快和容易检出的特点);氦气也可以提供惰性气氛,其中包括填充在毛主席水晶棺中的保护气体(因其化学性质非常稳定)。
伴随着氦元素用途被越来越多地开发,氦气资源也越发呈现供不应求的局面。
在“你的手机中,有6种元素将在100年后消失……”的题目中出现了一个不恰当用词——“元素消失”。不少读者的评论指出,元素不会“消失”,只是矿产资源枯竭。然而氦元素却是个例外。氦原子由于其化学惰性,通常只以单原子氦气的形式存在;又因为相对分子质量很小,非常容易从地表逃脱引力束缚而流失到太空,所以氦元素成为一种正从地球上逐渐“消失”的不可再生资源。
面对氦资源的紧缺,人们正在节流和开源两方面做出努力。
虽然现在氦气填充气球依然有售卖,但在仪式上大规模释放氦气球的场景如今已经罕见。在核磁共振设备中心,先前的一些耗费液氦量大的仪器正逐渐被淘汰,现在的核磁共振仪很多具有良好的密闭性,以防止液氦蒸发,从而大大减少了液氦的需求量。科学家也在研究临界温度更高的超导体,以期未来液氦不再是超导领域唯一可选择的冷却方式。与此同时,人们也在寻找更多的氦气来源。
除了美国,近年来富含氦气的气田在阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯等国也有少量发现。
在地球上,氦是一种不可再生稀缺资源,但如果我们放眼地球之外,便会发现每分钟都有天文数字的氦在生成。其中,太阳就是一个巨大的氦工厂,夜以继日地把氦喷射到太空中。在太阳风经常“光顾”的月球表面,也有大量富含3He的土质。
我国探月工程的一项重要计划,就是对月球3He含量和分布进行由空间到实地的详细勘察,而2009年放映的科幻电影《Moon》已经展现了未来克隆人在月球上开采氦资源的场景。伴随着宇航技术的日益成熟,相信终有一天,宇宙中其他星球会成为人类可利用资源的一部分。等到那时,氦元素短缺的问题将会成为历史。不过在此之前,我们还是必须善待氦气,珍惜氦资源。