氦:比你想象的更珍贵
氦(He,原子序数2)是宇宙中第二丰富的元素,约占宇宙普通物质的24%。然而在地球上,氦极为稀缺,因为它太轻,一旦逸入大气就会逐渐逃逸到宇宙空间。
地球上的氦从哪里来?
地球上的氦来自放射性衰变:铀和钍的α衰变释放α粒子(即氦-4核),这些粒子在地壳矿物中捕获电子后成为氦原子,并在天然气藏中积聚。因此,氦主要通过天然气分馏提取,美国堪萨斯州、卡塔尔、俄罗斯西西伯利亚是主要产地。
氦的不可替代应用
🏥 医疗MRI:超导MRI磁体需要在接近绝对零度(-269°C)的条件下工作,液氦是目前唯一实用的冷却剂。全球数万台MRI扫描仪每年消耗大量液氦。
💻 半导体制造:芯片制造的多个环节需要超高纯度氦气:离子注入、外延生长、冷却等。每一个先进芯片工厂每年消耗数百万立方米氦气。
🚀 航天推进:火箭推进剂箱需要用氦气加压以防止箱体坍塌,SpaceX猎鹰9号每次发射消耗数吨液氦。
🔬 低温物理研究:绝对零度附近的超导、超流等量子效应研究依赖液氦冷却环境。
氦资源危机
与可再生的太阳能和风能不同,氦一旦使用就会逸散到大气并最终逃逸地球。美国曾储备了大量战略氦资源,但因政策原因大量廉价出售,导致全球氦价在2010年代多次出现危机性短缺。科学家和工程师正在积极研发氦气回收再利用系统,以延长这一珍贵资源的使用寿命。