آیا واقعاً یک منبع طبیعی ارزشمند را در مهمانی ها هدر می دهیم؟

چند هفته پیش من یک پست (زبان در گونه) در مورد یک گاز بسیار بی اثر، نیتروژن نوشتم. با این حال، حماقت را کنار بگذاریم، نیتروژن کمی خسته کننده است. منظورم این است که ما نزدیک به 250 سال است که در مورد آن می دانیم، تقریبا 80 درصد از جو ما را تشکیل می دهد و بیشتر فقط در اطراف نشسته است و هیچ کاری انجام نمی دهد. حتی گیاهانی که بر ترفند دیدنی ساختن مواد جامد از نور خورشید و دی اکسید کربن مسلط شده اند، نمی توانند کار زیادی با آن به شکل گازی آن انجام دهند (به استثنای چند مورد).

گازهای خنثی بسیار جالب تری وجود دارد. یکی وجود دارد که حتی روی زمین کشف نشده است. در واقع، اولین بار توسط ژول یانسن، اخترشناسی که از یک خورشید گرفتگی کامل برای مطالعه جو خورشید استفاده می کرد، روی خورشید مشاهده شد. پس از چند آزمایش دیگر، اخترشناس نورمن لاکیر و شیمیدان ادوارد فرانکلند این عنصر را از کلمه یونانی خورشید نامگذاری کردند. این اولین عنصری بود که در جایی غیر از زمین کشف شد.

 

همانطور که مشخص شد، این عنصر دومین عنصر فراوان در جهان (پس از هیدروژن)، اما یکی از کم فراوان ترین عناصر روی زمین است – با غلظت تنها 8 قسمت در میلیارد در پوسته زمین.

امروزه تقریباً همه ما در کودکی با آن آشنا می شویم. در بادکنک ها

این هلیوم است، دومین عنصر سبک در جدول تناوبی و همچنین، شاید، منبع غیر قابل تجدید نهایی.

همه ما در مدرسه یاد گرفتیم که «غیرقابل تجدید» به چه معناست: به چیزی اشاره می‌کند که سریعتر از آن چیزی که بتوانیم جایگزین آن کنیم، استفاده می‌کنیم. تقریباً هر کسی می تواند به شما بگوید که نفت خام تجدید ناپذیر است. اما موضوع این است که جایگزین هایی برای نفت خام وجود دارد. ما می‌توانیم از بیواتانول، بیودیزل و پسرعموهای آن‌ها برای نیرو دادن به وسایل نقلیه و تامین برق استفاده کنیم. بیواتانول می تواند به عنوان مسیری برای رسیدن به پلاستیک نیز عمل کند. دانشمندان همچنین در حال بررسی پتانسیل جلبک ها برای تولید جایگزین های روغن هستند. این جایگزین‌ها ممکن است (در حال حاضر) نسبتاً گران باشند، و با معایب خاصی همراه باشند، اما وجود دارند.

ما راهی برای ساخت هلیوم نداریم. حداقل، راهی برای تولید آن در مقادیر قابل توجهی وجود ندارد (این یک محصول جانبی در راکتورهای هسته ای است، اما در اینجا ما در مورد مقادیر ناچیزی صحبت می کنیم). و از آنجایی که هلیوم بسیار سبک است، وقتی هلیم به اتمسفر فرار می کند، به سمت بالا شناور می شود. در نهایت از جو ما می گریزد و گم می شود. هر بار که از آن بادکنک هلیومی که برای خودش کمی متاسف به نظر می‌رسد خسته می‌شوید و یک سنجاق در آن می‌چسبانید (شاید چند ثانیه طول بکشد تا ابتدا ترفند صدای جیر جیر را انجام دهید) کمی هلیوم را هدر می‌دهید. .

اما پس چی؟ همه ما می توانیم بدون بالن های هلیومی زندگی کنیم، درست است؟ اگر تمام شود، بادکنک ها باید از نوع غرق شونده باشند. مشکل چیست؟

 

مشکل این است که هلیوم کاربردهای بسیار بیشتری از آنچه شما ممکن است تصور کنید دارد. آن را تا 269- خنک کنید ^oC – فقط 4 درجه گرمتر از صفر مطلق، کمترین دمای موجود است – و به مایع تبدیل می شود، و آن مایع چیز بسیار مهمی است. از آن برای خنک کردن آهنرباهای ابررسانا در اسکنرهای MRI (تصویربرداری تشدید مغناطیسی) در بیمارستان ها استفاده می شود که اطلاعات حیاتی و غیرتهاجمی را در مورد آنچه در داخل بدن ما می گذرد در اختیار پزشکان قرار می دهد. تکنیک‌های MRI تشخیص‌ها را دقیق‌تر کرده و به جراحی اجازه می‌دهد بسیار دقیق‌تر شود. هیچ چیز دیگری (حتی سبک ترین عنصر، هیدروژن) نقطه جوش کمتری نسبت به هلیوم ندارد، بنابراین هیچ چیز دیگری به خوبی برای این کار سرد نیست. دانشمندان سخت در حال کار بر روی توسعه آهنرباهای ابررسانا هستند که در دماهای گرمتر کار می کنند، اما این فناوری هنوز در مراحل اولیه است.

فناوری دیگری به نام NMR (رزونانس مغناطیسی هسته ای) وجود دارد که شیمیدان ها همیشه از آن برای کمک به شناسایی ترکیبات ناشناخته استفاده می کنند. در واقع، MRI از NMR متولد شد – آنها اساساً همان روش هستند که کمی متفاوت اعمال می شوند – اما کاربرد پزشکی تغییر نام داد زیرا احساس می شد که بیماران درک نمی کنند که “هسته” در NMR به هسته اتم ها اشاره دارد. به جای انرژی هسته ای یا تشعشعات، و از ایده درمان «هسته ای» خودداری می کند. احتمالاً با تصور اینکه وقتی وارد اسکنر می شوند به هالک تبدیل می شوند، چه کسی می داند.

از آنجایی که NMR اساساً به همان روش کار می کند، NMR همچنین به آهنرباهای ابررسانا متکی است که اغلب با هلیوم مایع نیز خنک می شوند. بدون NMR، کل تحقیقات شیمیایی، بدون ذکر آزمایش دارو، یک شبه با مشکلات جدی مواجه می شود.

به همین جا ختم نمی شود. هلیوم همچنین در غواصی در اعماق دریا، در کشتی های هوایی، برای خنک کردن راکتورهای هسته ای و انواع خاصی از آشکارسازهای شیمیایی دیگر استفاده می شود. ناسا همچنین از مقادیر زیادی هلیوم برای کمک به پاکسازی سوخت از موشک های خود استفاده می کند. به طور خلاصه، چیزهای مهمی است.

اما اگر نتوانیم آن را بسازیم، این همه هلیوم از کجا می آید؟

ذخایر هلیوم زمین عمدتاً از واپاشی آلفای رادیواکتیو بسیار کندی که در سنگ‌ها رخ می‌دهد نشأت می‌گیرد و ساخت آنها 4.7 میلیارد سال طول کشیده است. هلیوم اغلب در بالای ذخایر نفت و گاز طبیعی یافت می شود. در واقع اولین ذخایر هلیوم دقیقاً به این ترتیب بود: زمانی که در سال 1903، یک عملیات حفاری نفت در کانزاس یک آبفشان گازی تولید کرد که نمی سوزد. معلوم شد که اگرچه هلیوم به طور کلی در زمین نسبتا کمیاب است، اما در مقادیر زیادی در دشت های بزرگ آمریکا متمرکز شده است.

 

البته این بدان معناست که ایالات متحده به سرعت به تامین کننده اصلی هلیوم در جهان تبدیل شد. ایالات متحده انباشت گاز را در طول جنگ جهانی اول آغاز کرد و قصد داشت از آن در بالن های رگبار و بعداً در کشتی های هوایی استفاده کند. هلیوم بر خلاف گاز هیدروژن سبکتر از هوا دیگر نمی سوزد. این امر باعث می‌شود که کنترل کردن وسایل پر از هلیوم ایمن‌تر و البته سرنگونی یا خرابکاری دشوارتر باشد.

در سال 1925 دولت ایالات متحده ذخیره گاه ملی هلیوم را در آماریلو، تگزاس راه اندازی کرد. در سال 1927 قانون کنترل هلیوم به اجرا درآمد که صادرات گاز را ممنوع کرد. در آن مرحله، ایالات متحده آمریکا تنها کشور تولید کننده هلیوم بود، بنابراین آنها انحصار کامل داشتند (شخصاً، من کاملاً دوست دارم یک تابلوی مونوپولی با “ذخایر هلیوم” روی آن ببینم، اینطور نیست؟). و به همین دلیل است که هیندنبورگ، مانند تمام زپلین‌های آلمانی، هم به طور معروف و هم غم انگیز مجبور به استفاده از هیدروژن به عنوان گاز بالابر خود شد.

استفاده از هلیوم پس از جنگ جهانی دوم کاهش یافت، اما این ذخیره در دهه 1950 برای تامین هلیوم مایع به عنوان خنک کننده برای ایجاد سوخت موشک هیدروژن/اکسیژن در طول مسابقه فضایی و جنگ سرد گسترش یافت. ایالات متحده تا سال 1995 به ذخیره هلیوم ادامه داد. در آن زمان، ذخیره 1.4 میلیارد دلاری بدهی بود. دولت وقت در این مورد فکر کرد و در نهایت قانون خصوصی سازی هلیوم در سال 1996 را تصویب کرد که به وزارت کشور ایالات متحده دستور داد تا ذخیره را خالی کند و برای پرداخت هزینه آن را با نرخ ثابت بفروشد.

در نتیجه هلیوم ارزان بازار را فرا گرفت و قیمت آن برای چندین سال نسبتا ثابت ماند، اگرچه قیمت هلیوم بسیار خالص اخیراً به شدت افزایش یافته است. به همین دلیل است که ما هلیوم را گازی ارزان می‌دانیم. چیزی که می توانید با خوشحالی بادکنک را با آن پر کنید و سپس دور بیندازید. به یک سوپرمارکت بزرگ یا خیابان محلی خود بروید و حتی ممکن است بتوانید یک قوطی هلیوم در بخش مهمانی نسبتاً ارزان بخرید.

مشکل این است که این وضعیت دوام نخواهد آورد. ذخایر ایالات متحده به طور چشمگیری کاهش یافته است و در مقطعی پیش بینی می شد که در سال 2018 به طور کامل تمام شود، اگرچه ذخایر دیگری از آن زمان کشف شده و سایر کشورها کارخانه های استخراج را راه اندازی کرده اند. استخراج هلیوم از هوا با تقطیر نیز امکان پذیر است، اما گران است – حدود 10000 برابر گران تر. انتظار نمی رود هیچ یک از این جایگزین ها واقعاً کمبود را کاهش دهد. آنها فقط آن را چند سال به تعویق می اندازند.

پس آیا بادکنک های مهمانی هلیومی واقعاً هدر دادن غیرمسئولانه یک منبع گرانبها هستند؟ خوب… هلیومی که در بالن ها استفاده می شود نسبتاً ناخالص است، حدود 98 درصد هلیوم (مخلوط با، حدس بزنید چی؟ بله، دوباره به نیتروژن برگشتیم!) در حالی که هلیوم مورد نیاز برای MRI و مانند آن چیزی است که “درجه A” نامیده می شود. هلیوم، که حدود 99.997٪ خالص است، بسته به اینکه از چه کسی بخواهید. البته می‌توانید هلیوم با عیار پایین را برای دریافت نوع خالص‌تر خالص کنید، اما این کار هزینه دارد، به همین دلیل است که هلیوم درجه A بسیار گران‌تر است.

 

انجمن ملی بالون (“صدای صنعت بادکنک” – نمی توانید فکر کنید که آیا این صدای بسیار بلند است، می توانید؟) استدلال می کند که بالون ها فقط 5-7٪ از هلیوم استفاده می کنند و هلیوم که به داخل بالون می رود – که آنها ترجیح می دهند به دلیل ناخالصی هایش آن را “گاز بالون” بنامند – عمدتاً از گازی که در صنعت پزشکی استفاده می شود بازیافت می شود یا محصول جانبی تامین هلیوم مایع خالص و در نتیجه استفاده از آن است. در بالن واقعا مشکلی نیست.

 

از سوی دیگر، بیش از یک استاد برجسته فیزیک در مورد اتلاف هلیوم صحبت کرده اند. هزینه پر کردن یک بادکنک هلیومی حدود 30 تا 50 p است، اما پروفسور رابرت ریچاردسون از دانشگاه کرنل (قبل از مرگ او در سال 2013) استدلال کرد که یک بالون مهمانی هلیومی باید 75 پوند هزینه داشته باشد تا ارزش کمیاب واقعی گاز را با دقت بیشتری منعکس کند. دکتر پیتر وترز از دانشگاه کمبریج خواستار ممنوعیت کامل آنها شد و گفت که در 50 سال آینده فرزندان ما شگفت زده خواهند شد که ما تا به حال از چنین ماده گرانبهایی برای پر کردن بادکنک ها استفاده کرده ایم.

آیا زمان آن فرا رسیده است که بایکوت بالون هلیوم را فراخوانی کنیم؟ شاید، اگرچه احتمالاً بیش از یک یا دو مصرف کننده با تفکر علمی از خرید آنها خودداری کنند تا اینکه تفاوتی ببینیم. به طور واقع بینانه، قیمت در چند سال آینده افزایش می یابد و همانطور که پیتر وترز پیشنهاد می کند، پر کردن بالن ها با هلیوم به یک تصور مضحک تبدیل خواهد شد زیرا بسیار گران است.

با این حال، عجیب است که فکر کنیم، شاید ظرف 50 سال یا بیشتر، ایده یک بالون شناور به سادگی ناپدید شود. فقط به تمام آثار هنری و نقاشی هایی فکر کنید که دیگر معنی ندارند.

شاید این نقل قول مرحوم سر تری پراچت حتی بیشتر از آنچه در ابتدا به نظر می رسد مرتبط باشد:

«مواقعی در زندگی وجود دارد که مردم باید بدانند چه زمانی نباید رها شوند. بادکنک ها برای آموزش این موضوع به کودکان کوچک طراحی شده اند.»

———

The Chronicle Flask را در فیس بوک دنبال کنید و توییتر برای شنیدن آخرین پست های وبلاگ و کشف نکات علمی جالب دیگر از سراسر اینترنت.