Det finns ett omfattande nätverk av heliumanläggningar och rörledningar ovanför där USA har ett naturligt rikt lager av helium, men om vi inte sparar det kommer det att ta hundratals miljoner år att fylla på. Bildkredit: Bureau of Land Management.

Världen slösar bort vår oumbärliga helium, och ingen bryr sig

Det är inte för sent att ändra kurs, men vi går i fel riktning snabbare än någonsin nu.

”Åh vackert för smoggy himmel, insektsnöjt spannmål, För strimmad bergs majestät ovanför asfaltslätten. Amerika, Amerika, man kastar sitt slöseri med dig och gömmer tallarna med skyltar på skyltar, från hav till oljigt hav. ” -George Carlin

När Helium upptäcktes på jorden lånade dess unika egenskaper omedelbart sig till vetenskapligt bruk. Som en lättare än luft kan den användas för flytning eller till och med levitation. Eftersom det är både icke-reaktivt och inert kan det användas vid höga temperaturer och i syre-rika miljöer utan risk för explosion. Ljudets hastighet är nästan tre gånger större i helium än i luft, vilket leder till akustiska applikationer. Och vid atmosfärstryck men vid låga temperaturer kondenserar det men stelnar aldrig, vilket gör det till det ultimata kylmediet för partikelacceleratorer, MRI-maskiner och superledare. Ändå är helium extremt begränsat i överflöd på jordens yta, och vi gör inga ansträngningar för att bevara det. Vi slösar bort det på ballonger och födelsedagsfester, och National Helium Reserve har beordrats att sälja sig själv. Om vi ​​inte gör något annorlunda riskerar vi att uttömma världens utbud.

En modern klinisk MR-skanner med högt fält som uppnår magnetfält på 3 Tesla. Dessa fältstyrkor kan endast uppnås med superledande magneter, vilket kräver användning av flytande helium. MR-maskiner är den största medicinska eller vetenskapliga användningen av helium idag. Bildkredit: Wikimedia Commons-användare KasugaHuang.

Helium är kanske det näst vanligaste elementet i universum, men det är ganska sällsynt på jorden. Det näst lättaste elementet i det periodiska systemet, det heter Helios, den antika grekiska solguden, eftersom den upptäcktes på solen, spektroskopiskt, innan den någonsin hittades på jorden. Det var inte förrän 1882, där samma unika spektrallinje sågs i lavan som flyter från ett vulkanutbrott. Det isolerades några år senare genom kemiskt behandling av stollar som skilde ädelgaserna från atomerna som de var bundna med.

En heliumutvinningsanläggning i Amarillo, TX. Allt helium som lämnar växten flyter till toppen av atmosfären, där det troligtvis kommer att interagera med solljus och avvecklas i det interplanetära rymden. Bildkredit: Jennifer Tutop, BLM New Mexico Intern.

Men helium är för lätt att existera på jorden länge. När den når ytan i sin gasformiga fas - när den väl kommer ut ur berget och gör den ut i atmosfären - är det bara en tidsfråga innan den kastas ut i interplanetens rymd. Helium är lättare än alla andra gaser i jordens atmosfär, och med tiden stiger den till toppen av exosfären: gränsen mellan jordens mest spänstiga atomer och själva rymdvakuumet. På dessa stora höjder räcker det med en stark spark från antingen solljus eller en solvindpartikel för att driva en heliumatom förbi dess utrymningshastighet och från jorden för evigt. Alla stora mängder helium som jorden bildades med utkastades från vår planet för länge sedan, där den nuvarande heliumfraktionen av vår atmosfär är en liten 0.00052%.

Heliums unika elementära egenskaper, såsom dess flytande natur vid extremt låga temperaturer och dess överflödiga egenskaper, ger den unika vetenskapliga tillämpningar. Bildkredit: Alfred Leitner.

Det sätt som du bildar helium på jorden är ironiskt nog djupt inne i planeten, där de tyngsta elementen finns. Medan det mesta av det som komponerar jorden är stabilt - element som järn, nickel, kisel, syre, svavel, bly och mer - finns det några anmärkningsvärda undantag. Element som radium, thorium och uranium, medan de kanske utgör mindre än 1% av jorden, har Einsteins största ekvation kodad i deras kärnor: E = mc2. Dessa element är instabila, de sönderfaller radioaktivt, och när de gör det omvandlar de en liten bråkdel av sin massa till energi via den exakta regeln, E = mc2.

Eftersom de tyngsta elementen genomgår alfa-sönderfall och avger en helium-4-kärna, har det totala systemet en större total bindande energi, vilket innebär att dessa sönderfall frigör energi enligt Einsteins E = mc². Bildkredit: Wikimedia Commons-användare Fastfission.

Dessa nämnda element sönderfaller genom en process som kallas a-sönderfall, där en tung kärna avger två protoner och två neutroner bundna tillsammans, ofta deltar i en sönderfallskedja där många a-sönderfall sker i rad. Det intressanta är att konfigurationen (en α-partikel) av två protoner och två neutroner, bundna ihop, också är en heliumkärna! Om du tittar på planeten som helhet kommer cirka 50% av värmen som genereras av jorden själv från gravitationskontraktion, medan de andra 50% kommer från radioaktiva sönderfall. Djupt inne i jorden betyder förfallet av dessa tunga element att hela vår planet är en mycket långsam heliumfabrik.

En alfa-förfall är en process där en tyngre atomkärna avger en alfapartikel (heliumkärna), vilket resulterar i en mer stabil konfiguration och frigör energi. Bildkredit: Kärnfysiklaboratorium, Cyperns universitet.

Men dessa element har vanligtvis halveringstider på miljarder år. Med tanke på en mänsklig livslängd är helium som produceras genom radioaktiva sönderfall helt försumbar. Det tar hundratals miljoner år att producera stora mängder helium under jord. När vi extraherar det måste vi vänta hundratals miljoner år igen för att dessa butiker ska fylla på sig själva. De senaste undersökningsteknikerna har upptäckt några nya butiker med naturligt helium, som tillförseln som hittades i Tanzania förra året, kan hjälpa till att upprätthålla status quo lite längre, men vi känner redan håret.

Forskare som studerar asken från ett nyligen utbrott av vulkan Ol Doinyo Lengai i Tanzania. Bildkredit: Public Domain.

När allt fler medicinska och vetenskapliga applikationer för helium uppstår blir konsekvenserna av att inte ha tillräckligt stort utbud störande. Helium är en ändlig resurs på jorden, och ju längre tid det tar oss att börja bevara jordens lager av det på allvar, desto säkrare och svårare förverkligar vi oss för en framtida knapphet. Visst finns det andra alternativ för att skörda det, men de är alla astronomiskt dyra. Att extrahera helium från atmosfären är möjligt - liksom att stjäla det från andra världar - men vi får en engångsskott på jorden för att bara gräva på rätt plats och sedan innehålla den. Varje atom vi förlorar på grund av frivolitet är en annan atom som vi en dag kommer att tvingas skörda på ett mycket svårare sätt.

Heliumballonger, där den stora majoriteten av helium inuti kommer att undkomma jorden. Bildkredit: HilkeFromm / Pixabay.

Helium kan vara rikligt i universum, men det är sällsynt och värdefullt i den meningen att denna värld bara ger oss ett engångsskott av lätt skörbara, tillgängliga och rikliga butiker av den. När vi slösar bort det är det borta för evigt, vilket gör alla tillgängliga underjordiska lager av helium så mycket dyrare.

Starts With A Bang är nu på Forbes och publiceras på Medium tack vare våra Patreon-supportrar. Ethan har författat två böcker, Beyond The Galaxy, och Treknology: The Science of Star Trek från Tricorders till Warp Drive!