Скрипт разговора для оператора каршеринга. Речевые модули для call-центра. Это не персональное оскорбление

Подробности Категория: Просмотров: 698

ГЕЛИЙ (Не), одноатомный элемент, относится к семейству благородных газов, стоящих в нулевой группе менделеевской таблицы; атомный вес 3,99, плотность по отношению к воздуху 0,137; 1 м 3 химически чистого гелия при 0° и 760 мм весит 0,1785 кг (гелий в 7,2 раза легче воздуха и в 2 раза тяжелее водорода); подъемная сила 1м 3 гелия при тех же условиях 1,114 кг (т. е. 92,6% от подъемной силы водорода). Гелий - газ, без цвета и запаха, вполне инертен в химическом отношении, не горит и не поддерживает горения, не входит ни в одно из всех известных соединений и не принимает никакого участия в химических реакциях, мало растворим в воде, совершенно нерастворим в бензоле и алкоголе . Гелий с трудом превращается в жидкое состояние (впервые жидкий гелий был получен в 1908 г. Каммерлинг-Оннесом путем охлаждения гелия до температуры –258° жидким водородом, кипевшим под уменьшенным давлением); в этом виде гелий подвижен, бесцветен и является самой легкой после водорода жидкостью; температура кипения –268,75°, температура критическая –267,75°, критическое давление 2,3 Atm, поверхностное натяжение жидкого гелия слабое, наибольшая плотность 0,1459 при температуре –270,6°. Теплопроводность гелия при 0°, по опытам Шварца, 0,0003386. Из всех газов, после неона, гелий - лучший проводник электричества; его диэлектрическая крепость 18,3 (для неона 5,6, для воздуха 419).

Способность гелия диффундировать через прорезиненные ткани (оболочку аэростатов) в 1,47 раза менее чем водорода. Гелий, применяемый в воздухоплавании для наполнения дирижаблей, делает полет на них безопасным в пожарном отношении даже и в случае прибавления к гелию водорода в количестве 14% по объему (по опытам Американского бюро стандартов в 1918 году). Гелий был впервые открыт в 1868 г. в атмосфере солнца при изучении спектра во время солнечного затмения, наблюдавшегося в Индии. Новая яркая линия желтого цвета, замеченная в спектре и близкая к линиям D 1 и D 2 натрия, была названа Жансеном D 3 ; Франкленд и Локиер нашли, что она принадлежит еще неизвестному элементу, который они и назвали гелием ( - солнце). В 1888 году Гиллебрандт в газах, выделяющихся из некоторых урановых минералов при нагревании, обнаружил новый инертный газ, принятый им за аллотропическую разновидность азота; Рамзай в 1895 г. определил, что этот новый элемент - гелий, и т. о. доказал присутствие гелия и на земле; тогда же Кайзером было установлено присутствие гелия в воздухе; затем он был найден во многих минералах (преимущественно радиоактивных), в газах некоторых минеральных источников, рудников, вулканов, гейзеров и в естественных газах, выходящих из почвы. Количество гелия в атмосферном воздухе незначительно, по опытам Рамзая - 0,00041% по объему, по последующим опытам ~0,0005% (считают, что в 1000 м 3 воздуха содержится 5 л гелия) и 0,00007% по весу.

Извлечение гелия из воздуха (обычно методами фракционировки жидкого воздуха), в виду малого процентного содержания его, а также в виду сложности отделения гелия от других газов, например, неона (неона в воздухе в 3 раза больше, чем гелия), имеет только лабораторный характер. В минералах гелий находится в окклюдированном состоянии, будучи заключен в мелких порах минерала. Гелий добывается из клевеита (из 1 г клевеита - 7,2 см 3 гелия), из монацита (2,4 см 3), фергусонита (2 см 3), брогерита (1 см 3), торианита (8-9 см 3), эшинита (1 см 3) и др. урановых и ториевых минералов; гелий находится также в калиевых минералах, в кварце, берилле и др. Количество гелия, содержащегося в радиоактивных минералах, зависит от геологического возраста, от плотности породы и от содержания в них урана или тория. В газах минеральных источников, выделяющихся с поверхности воды в виде пузырьков, иногда содержится сравнительно большой % гелия; по исследованиям Мурё, содержание гелия в газах источников Франции достигает 10% по объему (источник в Santenay); однако, годовой дебит их незначителен (не более 5-10 м 3 гелия в год). Рудничные газы иногда богаты гелием, но выход их нерегулярен и, обычно, кратковременен. Вулканические газы пока мало изучены. Добывание гелия перечисленными путями имеет лабораторный характер. Промышленное значение имеет только добыча гелия из естественных газов, выходящих из недр земли. Исследования природных газов на гелий ведутся в США, Франции, Бельгии, Германии, Италии, Румынии, Австрии, однако большинство из обследованных здесь источников, кроме США, содержит незначительный % гелия или обладает очень малым годовым дебитом, так что мировая монополия на гелий остается за США.

В отношении СССР есть все основания предполагать, что гелиевая промышленность может получить значительное развитие в виду наличия большого количества источников природного газа, несомненно содержащих гелий, в целом ряде местностей (Средне-Волжская область, Кавказ, Кубань, Апшеронский полуостров и др.).

Применение гелия в воздухоплавании, устраняя опасность возгорания газа в дирижаблях, дает также возможность помещать моторы не в подвесных гондолах, как обычно, а внутри оболочки, что значительно уменьшит лобовое сопротивление и, следовательно, увеличит скорость корабля. Благодаря более медленной, чем у водорода, диффузии гелия через оболочку, подъемная сила дирижабля сохраняется лучше. Большое преимущество гелия - возможность легкой очистки уже использованного газа от загрязняющих его примесей, что делается путем пропускания его через специальные очистительные аппараты. Помимо воздухоплавания, гелий применяется (в сравнительно небольших количествах) и в других областях техники, а также для научных исследований, особенно для изучения различных процессов и свойств тел при очень низких температурах (испарением жидкого гелия достигнута температура –272,1°). Целый ряд вопросов физики, химии, биологии, ботаники, для решения которых нужна очень низкая температура, м. б. выяснен с помощью жидкого гелия. Для научных исследований гелий широко пользуются в ряде лабораторий различных стран, особенно же в Криогеническом институте в Лейдене (Голландия), где профессором Каммерлинг-Оннесом был при помощи гелия сделан ряд ценных научных открытий; например, обнаружено, что электропроводимость некоторых металлов при очень низких температурах увеличивается в миллионы раз по сравнению с электропроводимостью при обыкновенной температуре. Гелий употребляется и в электротехнической промышленности для ламп накаливания и для других ламп с вольфрамовыми наконечниками. По мере изучения гелия открывается ряд новых областей его применения.

Добывание гелия из естественных газов.

Месторождения гелия . В 1903 г. близ Декстера в Канзасе (США) была открыта неглубокая естественная трещина, выделявшая газ. Газ был почти несгораем и этим резко отличался от обыкновенных естественных газов. Г. П. Кеди и Д. Ф. Макфарленд, которым были посланы образцы этого газа для анализа, сообщили, что он состоит из 15% углеводородов и 85% инертного газа, по-видимому, азота. Дальнейшее исследование этой фракции показало, что кроме азота она содержит в себе ничтожные количества неона и аргона и 1,84% гелия. Были подвергнуты анализу газы, выделяемые и в других местах южного Канзаса и смежных областей, и все они оказались содержащими небольшие количества гелия. Хотя Кеди и Макфарленд опубликовали результаты своих исследований, важность этого сообщения не была должным образом оценена до начала войны 1914-18 гг. К этому времени гелий добывался исключительно из минеральных источников или из радиоактивных минералов. Тогда как при сжигании естественных газов Канзаса и смежных с ним областей миллионы м 3 гелия выпускались на воздух, количество этого газа, которое ученые могли иметь в своем распоряжении, вероятно, не превосходило 0,25 м 3 . Стоимость этого ничтожного количества газа составляла не менее 15000 долл.

В 1915 г., узнав о работе Кеди и Макфарленда, британское правительство ассигновало средства на производство изысканий на гелий в Онтарио - единственном месте в пределах британских владений, где существовал естественный газ в значительном количестве, а в 1917 году, по вступлении в войну, США также предприняли исследование всех источников газа, пригодных для промышленного добывания гелия для нужд военного воздухоплавания.

Месторождения, содержащие газ с 0,25-0,5% гелия, были найдены в округе Винтон, Огайо. Количество выходящего газа было, однако, невелико. Проба из Геврской газовой скважины в Монтане показала содержание гелия в 0,27%. Так как большая газовая скважина в Петролии (северный Техас) отличалась весьма высоким содержанием азота, то были предприняты изыскания именно в этой местности. Присутствие газовых месторождений со столь же высоким содержанием гелия, как и в Канзасе и северной Оклахоме, тотчас подтвердилось. Месторождение, найденное в северном Техасе, простиралось от округа Браун к северу до пограничной линии между Техасом и Оклахомой. Процентное содержание гелия значительно колебалось, и хотя в нескольких скважинах газы содержали более чем 0,25% гелия, только в Петролии содержание гелия было настолько велико, что могла идти речь о попытках его извлечения. Один из анализов показал 1,18% гелия, а в среднем содержание его несколько превышало 0,9%.

В Канзасе были найдены месторождения с содержанием гелия от 0,1 (или немного менее) почти до 0,2%. Значительные количества были найдены в скважине Эльдорадо, в округе Бетлер, где оказался газ с содержанием 1,1% гелия и 40% азота. Другим важным центром является скважина Августа в том же округе. Здесь горизонт на глубине 360-420 м показал 1,03-1,14% гелия. Процентное содержание гелия в этом горизонте не было показательным для других горизонтов, и на глубине 460 м его оказалось только 0,43%. Это различие между отдельными горизонтами было констатировано во всех исследованных скважинах, и объяснение этого явления представляет весьма трудную задачу для науки. Наивысшее содержание гелия было найдено в Декстере и связанных с ним неглубоких скважинах округа Каулей в Канзасе. Содержание гелия в этой области составляло от 0,9 до 2,0% (приблизительно). Впоследствии, в 1917-18 гг., было открыто много нефтяных и газовых месторождений. Некоторые из них содержали значительные количества гелия; одно из них, скважина Нокона близ Петролии, содержит 1,2% гелия. В течение 1927 г. вблизи прежних месторождений в Декстере был пробурен ряд скважин, который дал почти такое же содержание гелия, какое было определено Кеди и Макфарлендом двадцать лет тому назад. Это месторождение разрабатывается частным заводом The Helium С°.

Наиболее важным дополнением к существующим в США ресурсам гелия были месторождения в округе Пангендль юго-западного Техаса и система Вудсайд на плоскогории Юта. Месторождение округа Пангендль обнимает более 5000 км 2 . Небольшие количества гелия найдены во многих пунктах этого участка, но только незначительная часть общей площади считается в настоящее время пригодной для промышленной разработки. Тем не менее, предполагается, что количество имеющегося здесь гелия может обеспечить работу завода с ежемесячной производительностью 60000 м 3 в течение 20 лет.

После США наиболее многообещающие месторождения находятся, по-видимому, в Канаде. Считается, что из скважины Формост в провинции Альберта м. б. получено ежегодно 60000 м 3 гелия. Но содержание гелия в газе здесь составляет лишь 0,2%. Точно также скважина Бау-Айленд в той же провинции, как полагают, может дать ежегодно 35000 м 3 гелия из газа со средним содержанием гелия в 0,3%. Наибольшее содержание гелия имеют газовые скважины Онтарио, в особенности в округе Пиль, где открыт газ с содержанием 0,8% гелия. Но общий размер возможной добычи здесь мал и может составить приблизительно 6000 м 3 в год.

Содержание гелия в газах . Неодинаковое содержание гелия на различных горизонтах одной и той же скважины уже было указано выше. Равным образом и содержание гелия в различных скважинах, получающих свой газ на одном и том же горизонте в различных частях данной геологической системы, может представлять большие колебания. Некоторые авторы высказали предположение, что содержание гелия в каждой скважине уменьшается по мере уменьшения давления, оказываемого горной породой. В подтверждение этого взгляда они ссылаются на анализы, доказывающие, что среднее содержание гелия в газе Петролии было в ноябре 1926 г. 0,8986%, тогда как в июле 1925 г. оно составляло 1,1039%. Но такая разница может быть вызвана другими причинами, - быть может, установлением сообщения с более бедными скважинами. Эти различия в содержании гелия в пределах одной и той же скважины и то обстоятельство, что нередко скважины, тесно связанные с богатыми месторождениями гелия, оказываются совершенно лишенными его, весьма затрудняют составление какой-либо рабочей гипотезы относительно происхождения и распределения гелия.

Кеди и Макфарленд пришли к заключению, что содержание гелия пропорционально количеству азота. Это, может быть, и верно, вообще говоря, но существует много источников газов с весьма большим содержанием азота при почти полном отсутствии гелия. Предположение, что только негорючие газы способны давать более или менее значительные количества гелия, также оказалось ошибочным после открытия гелия в газе Петролии. До открытия гелия в системе Вудсайда предполагали, что газы, содержащие гелий, принадлежат исключительно горизонтам палеозойской эры, так как все образования средней полосы Огайо и Онтарио имеют именно такое геологическое происхождение. Газ Вудсайда происходит из горизонта ранней мезозойской эры, который расположен непосредственно над горными породами пермского периода (поздняя палеозойская эра). Газы Монтаны и некоторых скважин Альберты находятся в образованиях мелового периода. Интересно отметить, что газы образований третичного периода несравненно беднее гелием, нежели палеозойские горизонты.

По общему взгляду, содержание гелия в естественных газах не зависит от условий отложения тех материальных остатков, от которых происходят горючие составные части этих газов. Все ученые согласны в том, что гелий должен был произойти совершенно из других источников, чем горючие вещества, и его происхождение обыкновенно приписывается существованию радиоактивного центра вблизи или ниже тех осадочных горизонтов, где сосредоточивается гелий. Связь выделения гелия с теми областями центральных штатов, где произошли громадные сбросы древних кристаллических пород, указывает на существование центров радиоактивности в местах сбросов. Но потребуется еще много исследований, чтобы можно было прийти к какому-либо окончательному заключению по этому вопросу и судить о других вероятных месторождениях гелия (см. табл.).

Промышленное получение гелия . Как только было установлено присутствие достаточного количества гелия в Петролии, была предпринята постройка двух экспериментальных заводов в форте Уорт (Fort Worth), и затем начата постройка третьего завода в самой Петролии. Последний завод принял способ Джефриза-Нортона; один из заводов форта Уорт был проектирован и руководим обществом Linde Air Products С°, другой - обществом Air Reduction С°. Оба последних завода были рассчитаны на добычу около 200 м 3 гелия в день. Через шесть недель после пуска в ход завода Линде он стал давать небольшое количество 50%-ного гелия; четыре месяца спустя ежедневная продукция завода возросла до 140 м 3 70%-ного гелия; при дальнейшей очистке содержание гелия могло быть повышено до 93%. Проект общества Air Reduction С° был основан на методе Клода, который в течение ряда лет применялся им при добывании других газов. Этот метод, однако, не мог быть так легко, как способ Линде, приспособлен к добыванию гелия. Способ Джефриза-Нортона основан на тех же самых принципах, что и способ Клода, и хотя теоретически он должен быть продуктивнее остальных, тем не менее, он не дал надлежащих результатов вследствие ряда механических затруднений.

Практическое превосходство способа Линде выяснилось к осени 1918 года, и тогда был разработан проект постройки завода производительностью 1000 м 3 гелия в день. Постройка была начата в 1919 г., а в 1921 г. завод начал функционировать. Сначала производительность завода была мала, но небольшие изменения в конструкции значительно повысили ее и в июне 1925 г. завод достиг максимальной производительности 35000 м 3 гелия. После того производительность его сильно упала, вследствие уменьшения подачи газа из Петролии.

Задача получения гелия из естественного газа осложняется тем обстоятельством, что, помимо своей химической инертности и крайне низкой точки кипения, гелий составляет лишь ничтожную долю в самых богатых естественных газах. Все конструкции основаны на удалении углеводородов и азота в виде жидкостей и на получении гелия как остаточного газа. Так как это сопряжено с применением чрезвычайно низких температур, то необходимым условием является возможно более раннее удаление углекислоты во избежание замерзания. Конструкция всех заводов в общих чертах одинакова. Главное различие заключается в способе окончательного охлаждения и сжижения газов. Конструкция Линде основана на эффекте Джоуля-Томсона. В этой конструкции необходимая низкая температура достигается путем расширения охлажденных под высоким давлением газов в испарителе или приемнике низкого давления. В конструкции Клода температура, необходимая для сжижения других газов, кроме гелия, т. е. температура в –200°, достигается пропусканием части весьма сильно сгущенного газа через расширительный аппарат. С теоретической точки зрения процесс Клода более продуктивен, нежели процесс Линде. Но применение расширительной машины сопряжено с механическими затруднениями, которые оказались непреодолимыми для завода Air Reduction С°. В процессе Джефриза-Нортона стремились достичь большей экономичности путем применения трех расширительных аппаратов, работающих при различных температурных пределах. Теоретическая продуктивность метода выше, но механические затруднения еще больше, нежели при способе Клода.

Способ Линде . В пробной установке и при первом проектировании заводского добывания гелия по системе Линде естественный газ приводился в соприкосновение с известковой водой в специальных скрубберах при низком давлении для удаления углекислоты. Хорошие результаты, полученные в скрубберах с каустической содой, примененной первоначально в системе Джефриза-Нортона, побудили ввести их также и в конструкцию Линде. После этой предварительной обработки газ вступает в первый, или сепараторный, цикл (фиг. 1).

Часть газа вводится в четырехстепенные компрессоры, подвергающие его давлению до 140 atm. Другая часть газа пропускается через регулирующий клапан в трубопровод низкого давления. Этот трубопровод, а равно трубопровод из компрессора, проходит в предварительный холодильник, где газы охлаждаются наружным циклом углекислоты, а равно газами, возвращающимися из предыдущей обработки. Температура еще более понижается путем пропускания обоих трубопроводов через поглотитель тепла навстречу возвращающимся газам. Оба трубопровода затем проходят в нижнюю часть испарителя или сепаратора, сообщаясь с ним через ряд сопел, причем газ высокого давления здесь расширяется и охлаждает смесь. Сепаратор разделяется на три агрегата, из которых каждый имеет в верхней части собственную очистительную колонку и конденсатор, а внизу - приемник. В каждом агрегате известная часть газа выделяется в виде жидкости, а остающийся газ переходит в вышестоящий агрегат. Жидкость, испаряясь, служит для охлаждения выше стоящего агрегата. Углеводороды вместе с небольшой примесью азота, обратившиеся т. о. снова в газообразное состояние и понизив температуру встречных газов, идущих к сепаратору, выходят из сепаратора и направляются через поглотитель тепла и предварительный холодильник в компрессор, где их давление повышается до уровня давления газа трубопровода городской сети. Чистый азот удаляется из верхней части сепаратора в виде газа, после того как он содействовал сжижению части азота в верхнем агрегате. Неочищенный гелий, т. е. газ, содержащий приблизительно 35-40% чистого гелия в смеси почти исключительно с азотом, выходит из верхнего агрегата в специальный газгольдер и потом поступает в очистительный цикл.

Во втором, очистительном, цикле (фиг. 2) неочищенный гелий подвергается давлению в 70 atm и направляется в предварительный холодильник и поглотитель тепла. В первом его температура понижается при помощи наружного цикла углекислоты и газа, возвращающегося из очистителя. Во втором охлаждающее действие достигается при помощи возвращающегося газа в соединении со змеевиками, через которые проходит гелий из очистителя. Окончательное охлаждение и сжижение всех газов, кроме гелия, происходит в очистителе, в котором низкая температура достигается при помощи наружного цикла азота. Последний получается из сепаратора предыдущего цикла. Получаемый из очистителя газ содержит 91-92%, и даже более, чистого гелия.

Другие способы получения гелия . Главное различие между процессом Линде и способом, применявшимся ранее на пробной установке, заключается в том, что в последней сжижение достигалось гл. обр. применением наружного охлаждающего цикла системы Клода. Основные принципы системы, применяемой заводом The Helium С°, в Декстере, почти ничем не отличаются от способа завода в форте Уорт. Главное различие состоит в способе утилизации низких температур жидкостей и газов, полученных во время процесса, для охлаждения вновь поступающих газов. Внешний охладительный цикл отсутствует; отделение гелия от других газов происходит в коллекторе сжиженного газа; сжижение азота, а равно и углеводородов, по-видимому, происходит в змеевиках поглотителя тепла и в трубах, ведущих к коллектору. Коллектор служит местом для выделения гелия из жидких углеводородов и азота.

Транспорт и хранение гелия . Обращение с этим чрезвычайно редким газом составляет само по себе отнюдь не простую задачу. До последнего времени гелий всегда перевозился в стальных цилиндрах, емкостью 0,04 м 3 , наподобие тех баллонов, которые употребляются и для других газов. Газ находился под давлением 130-140 atm, так что каждый такой цилиндр вмещал до 5,0 м 3 гелия, приведенного к атмосферному давлению. Емкость простого товарного вагона составляла 380 цилиндров. В настоящее время все количество гелия, вырабатываемое заводами, перевозится в специальных вагонах-цистернах, принадлежащих армии и флоту США. Эти цистерны вмещают 42,5 м 3 газа, т. е. приблизительно втрое больше против прежнего. Вагон-цистерна состоит из плоской платформы стальной конструкции и трех стальных бесшовных цилиндров. Цилиндры протянуты по всей длине вагона и имеют внутренний диаметр 137 см. Так как они д. б. рассчитаны на давление в 140 atm, то их конструкция должна быть весьма тяжела, и стальные стенки должны иметь 75 мм толщины. Тара вагона составляет около 100 т, а стоимость - 85000 долларов. Вес гелия на вагон составляет около 1 т. Высокая стоимость и чрезмерный вес этих вагонов побудили завод Chicago Bridge and Iron Works заняться вопросом о постройке более легкого вагона. Проектированный вагон будет состоять из 48 бесшовных стальных цилиндров с внутренним диаметром 35 мм и длиной, равной длине вагона. Вместимость его будет такова же, как трехцилиндрового. Пока, однако, на постройку этих вагонов никаких средств не отпущено. Утечка газа из цилиндров составляет 10% в год. Так как она происходит исключительно через клапаны, то весьма желательно употреблять большие цилиндры.

Повторная очистка гелия . Подъемная сила гелия считается равной 92% подъемной силы водорода, но это справедливо лишь для совершенно чистого гелия. Так, например, гелий, получавшийся из форта Уорт, лишь с трудом мог быть употребляем для дирижабля «Шенандоа», рассчитанного на водород. Когда содержание гелия благодаря диффузии доходит до 85%, необходима новая очистка.

Экспериментальные исследования Криогенической лаборатории Горного бюро США показали, что активированный уголь при низкой температуре способен адсорбировать почти все газы, содержащиеся в нечистом гелии. Бюро соорудило для армии небольшой передвижной аппарат для такой очистки гелия. Однако, стоимость очистки оказалась слишком высокой благодаря непостоянству действия «угольных горшков», применяющихся при этой операции, и этот способ не получил применения. Поэтому был установлен в Лекгерсте (Нью-Джерси) стационарный очистительный агрегат. Применяемый здесь способ в главных чертах совпадает с принципами очистительного цикла системы Линде форта Уорт. Нечистый газ вводится в скруббер, в котором он освобождается от углекислоты. Отсюда он переходит в компрессор, где давление доводится до 140 atm. Затем газ пропускается через батарею осушительных сосудов, наполненных силикатным гелем, для удаления влажности. Отсюда газ переводится в поглотитель тепла, где он охлаждается чистым гелием, идущим в хранилище. Из поглотителя газ поступает в первичный чиститель, где он еще более охлаждается и где конденсируется часть примесей. Окончательное сжижение происходит в змеевике и коллекторе вторичного чистителя. Последний окружен капельножидким воздухом, который образуется во внешнем цикле системы Клода. Конденсированные примеси, собирающиеся на дне коллектора, также идут в помощь жидкому воздуху для охлаждения агрегата. После этой очистки газ достигает обыкновенно чистоты 98%.

Стоимость и применение гелия . До настоящего времени в США добыто в общем около 1 млн. м 3 гелия. Стоимость производства гелия при возникновении его промышленной добычи в форте Уорт составляла около 23,6 долл. за 100 м 3 . Она постепенно уменьшалась и достигла в 1924 году 15,7 долл. Так как цена водорода равняется 1 доллару за 100 м 3 , то водород еще некоторое время будет находить применение для дирижаблей. Однако надо иметь в виду, что подвергать водород новой очистке нет расчета, и поэтому для снабжения дирижабля в течение года требуются весьма большие количества водорода. Повторная очистка гелия в Лекгерсте обходится лишь в 0,4-0,6 долл. за 100 м 3 . Если производить повторную очистку гелия по мере надобности, то, как показывает опыт, для функционирования дирижабля требуется ежегодно двойное против его емкости количество гелия; так, например, для функционирования дирижабля «Лос-Анжелес», емкостью 70000 м 3 , требуется в течение года 140000 м 3 гелия. Сооружение более мощных дирижаблей, предусмотренное Конгрессом США, соответственно увеличит потребность в гелии.

I.
Необычность гелия проявилась уже в самой историк его открытия. Как известно, этот элемент впервые обнаружили в 1868 году не на Земле, а на Солнце, точнее, в спектре солнечной короны. Конечно, никто воочию не наблюдал гелий - и подозревали, что никогда и никому не удастся его наблюдать: гелия на Земле не было. Предполагали, что наука нашла протовещество, из которого построены звезды. Впоследствии оказалось, что это не совсем так, хотя в строительном материале звезд присутствовал и гелий.
Но вот в 1895 году в английском журнале «Нейчур» друг за другом появились две статьи с одинаковым названием: «Земной гелий». Автором одной из них был известный экспериментатор В. Рамзай, открывший к тому времени химический элемент аргон, другой - В. Крукс, знаменитый своими исследованиями катодных лучей. Гелий, до сих пор наблюдавшийся только в спектре Солнца, обнаружили при анализе вполне земного минерала клевеита. Вскоре его нашли и в ряде других минералов, содержавших, как и клевеит, уран и торий.
А вот в атмосфере гелий не был найден, вернее, это случилось гораздо позднее. Такое обстоятельство, правда, никого особенно не удивило: полагали, что благодаря своей летучести гелий, как и свободный водород, давно уже ушел в мировое пространство.
Открытие земного гелия обострило интерес к проблеме происхождения химических элементов. О том, что в их основе лежит некая праматерия и что «каждый элемент превращается в природу другого элемента», догадывался еще Роджер Бэкон. Простейшим среди них, безусловно, следовало бы считать водород. Но в цепочке радиоактивных превращений упорно появлялся не водород, а гелий. Почему? Может быть, в качестве «праматерии» выступают не водород и не гелий, а какой-то другой, пока не найденный на нашей планете элемент?
Гелий обнаружили не только в солнечной короне и на Земле, но и в спектрах других звезд. Более того, выяснилось, что по распространенности в звездном веществе, так же как и вообще во Вселенной, гелий занимает второе после водорода мести.
Но вот на нашей железокремниевой планете относительное содержание гелия оказалось в десятки миллиардов раз меньшим, чем во Вселенной. На Земле вообще нет областей, о которых можно было бы сказать, что они богаты гелием. И тем не менее этот элемент присутствует повсюду: в атмосфере, океане и земной коре, в подземных газах, водах и нефти. Он рассеян по планете.
В тридцатые годы были открыты изотопы гелия. Со временем выявилась интересная закономерность: во внутренних областях метеоритов, в составе космической пыли и лунного грунта наблюдалось удивительное постоянное соотношение гелия-3 и гелия-4: 3 * 10-4, то есть на десять тысяч атомов гелия-4 приходилось в среднем три его легких изотопа. Земная же природа очень невзлюбила легкий изотоп гелия. Если гелия вообще в земных образцах мало, то гелия-3, мягко говоря, ничтожно мало: на долю легкого изотопа приходится в среднем десятимиллионная доля природного гелия.
И самым странным показалось даже не крайне низкое содержание гелия-3 в веществе Земли, а необычные вариации изотопного состава. Возникал вопрос: имеет ли какое-либо отношение распространенность гелия-3 к проблеме происхождения гелия на Земле? Теперь внимание ученых привлекла распространенность стабильных изотопов гелия в природе. Начинался второй гелиевый век.
Прежде всего: откуда взялся на Земле гелий? Предполагали, что существуют три возможных его источника.
Первый из них - это первичный, или первозданный гелий, который входил в состав вещества планеты 4,5 миллиарда лет назад и который, по-видимому, к настоящему времени планетой потеряй.
Вторым источником гелия на Земле считался радиогенный гелий, возникающий как продукт естественных ядерных реакций. Изотопное соотношение, характерное для радиогенного гелия, как правило, колеблется в пределах 10-5 - 10-10 - в зависимости от состава окружающего вещества.
И наконец гелий космогенного происхождения, который появляется в результате взаимодействия жесткого космического излучения с веществом Земли. Кроме того, он попадает в верхние слои атмосферы вместе с метеоритами и космической пылью.
О наблюдении первозданного гелия на Земле даже и не говорили: считали, что на Земле его просто не осталось. И действительно, измерения изотопного соотношения гелия земной коры упорно свидетельствовали в пользу его радиогенного, следовательно, вторичного происхождения. Однако в атмосфере нашей планеты происходили непонятные вещи. Изотопное отношение гелия было пример-" но в сто раз выше, чем для гелия, наблюдавшегося в земной коре. Известно, что попадающий в атмосферу гелий может двигаться только в одном направлении - уходить вверх, в космическое пространство. Каким же образом попадал в атмосферу этот избыточный гелий-3? Все собранные воедино мыслимые источники легкого изотопа не могли объяснить этого факта.
В свое время академик В. И. Вернадский задавал вопрос: «Почему так мало гелия на Земле? Куда он девался? Мы стоим здесь при изучении земной коры перед загадками более общего масштаба». Теперь же приходилось удивляться не тому, что гелия вообще мало на Земле, а тому, что легкого изотопа слишком «много» в атмосфере.

2.
Читатель, наверное, догадался, что коль скоро проблемы ставятся, намечены и некоторые пути к их решению. Но прежде чем переходить к «отгадкам», хотелось бы сделать маленькое отступление.
Как правило, применение принципиально новых методов исследования, расширяя наши горизонты в познании природы, неизбежно ведет к открытиям.
Среди методов исследования свойств вещества особое место занимает масс-спектрометрия разделение заряженных частиц по массам с помощью электрического и магнитного полей. Идея масс-спектрометрии со временем получила широкое " развитие. Во многих лабораториях мира появились масс-спектрометры «собственной конструкции». Выяснилось, что очень многие химические элементы состоят из смеси изотопов, но, к огорчению и недоумению исследователей, к их числу долгие годы не относился гелий.
Во многих образцах, как уже говорилось, гелий-3 содержался в гораздо меньшем количестве, чем гелий-4. Значит, нужны были приборы с высокой чувствительностью. Другая трудность - во всех пробах гелия неизбежно присутствовали ионы и молекулы, близкие по поведению в электромагнитном поле к ионам гелия-3. Как избавиться от этого фона?
Для того чтобы разорвать цепочку трудностей, необходимо было искать новые методы разделения изотопов. Одно из удачных решений было предложено учеными Ленинградского физико-технического института имени А. Ф. Иоффе Академии наук СССР.
Работа по созданию новой масс-спектрометрической методики началась в лаборатории профессора Н. И. Ионова около четверти века назад. И первые аппараты, созданные в стенах института, до сих пор работают в промышленности. Но прибор, о котором пойдет речь и которому суждено было совершить переворот в изотопии природного гелия, еще до недавнего времени существовал в одном лишь лабораторном экземпляре.
Ученые попытались разделить изотопы не только за счет их различного отклонения в магнитном поле, как это и делалось в масс-спектрометрах статических, но также и за счет их различного времени пролета. Для этого достаточно было наложить высокочастотное электрическое поле. И первые же измерения, выполненные на МРМС - магнитном резонансном масс-спектрометре, привлекли внимание специалистов. Оказалось, что качества прибора настолько высоки, что позволяли ему чувствовать присутствие в гелиевых пробах миллиардной доли легкого изотопа.
Но гелий оказался весьма капризным и трудным для измерения объектом. И не потому, что гелия-3 было очень мало в предназначенных для исследования пробах, а потому, что в окружающем нас атмосферном воздухе гелия порой было в сотни и тысячи раз больше. И если в пробу попадал хотя бы один процент атмосферного воздуха, результаты измерений искажались на сотни процентов!
Необходимо было решительно исключить попадание атмосферного воздуха в пробу и при ее отборе, и, что очень трудно, в процессе герметизации сосуда. Образцы минералов, из которых извлекали гелий, предварительно дробились и нагревались до температуры 1300 градусов по Цельсию без контакта с атмосферой. А работать приходилось С исчезающе малыми количествами этого газа: ведь гелий составлял сотые и тысячные доли процента от общего веса исследуемого вещества.
При создании МРМС ленинградские ученые столкнулись с еще одним непредвиденным свойством гелия, которое было названо «эффект памяти». Сколь идеальной ни была герметизация прибора и сколь хороший вакуум ни удавалось создать, после откачки в камере масс-спектрометра появлялось заметное количество гелия. Откуда он брался? Оказалось, что гелий, внезапно появлявшийся в приборе, в свое время проник путем диффузии в элементы конструкции и теперь при снижении давления выделялся обратно. С этим эффектом тоже приходилось бороться: остаточный гелий мог свободно конкурировать с гелием, предназначенным для исследования. А это могло затруднить любой анализ, но особенно эффект памяти мешал исследованию уникальных проб, например лунного грунта или космической пыли.

3.
Когда удалось преодолеть все эти трудности, новая масс-спектрометрическая техника открыла и новые возможности. И прежде всего это коснулось изотопии гелия.
В течение последних полутора десятилетий ленинградские ученые произвели несколько тысяч анализов изотопного соотношения гелия в самых различных природных образцах. Объектами исследования служили горные породы, минералы, вулканические и природные газы, воды и нефть, взятые буквально со всего света. Постепенно вырисовывалась картина распределения изотопов гелия в веществе Земли.
Прежде всего удалось обнаружить такую зависимость: изотопный состав гелия на Земле непостоянен, он определяется геологической историей региона, откуда были взяты пробы. Например, самые высокие изотопные соотношения - 10 - наблюдались в районах, непосредственно связанных с мантией Земли, там, где интенсивна вулканическая деятельность, где имеются разломы и трещины в земной коре и где возможен выход глубинных потоков вещества на поверхность.
В стабильных районах земной коры, где тектоническая деятельность давно закончилась, изотопное соотношение оказывалось чуть ли не в тысячу раз более низким: 2 . 10-8. Районы же, занимающие промежуточное положение по геологической активности, характеризуются и промежуточным изотопным соотношением: 10-6 - 10-7.
А вот в атмосфере изотопное соотношение гелия вновь начинает подниматься, достигая величины около 10-6. И наконец, за ее пределами, в околосолнечном пространстве, изотопное соотношение гелия оказывается достаточно высоким и постоянным, достигая своеобразной константы природы: 3 . 10-4.
Очередную гелиевую проблему можно было бы сформулировать так: почему в вулканических газах, появляющихся на поверхности в любом районе Земли, гелия-3 в сотни и тысячи раз больше, чем в образцах земной коры? Поскольку вулканические газы - естественные посланцы мантии Земли, получалось, что избыточный гелий находится в мантии. Но с одной оговоркой - этот мантийный гелий (в том числе и гелий-3) не мог иметь чисто радиогенное происхождение. Расчеты показали, что ни ядерные превращения элементов, ни попадание в земную кору космических лучей не могли объяснить наблюдаемое в мантийных газах количество гелия-3.
Оставалось только одно предположение: тот гелий, который выделяется на поверхность Земли вместе с вулканическими газами, представляет смесь радиогенного и первичного гелия. Это означало, что в недрах Земли сохранился гелий, захваченный Землей при ее образовании. По-видимому, около 4,5 миллиарда лет назад изотопное соотношение гелия молодой Земли было близко к космической константе. Но находившиеся в мантии тяжелые элементы из-за радиоактивного распада увеличивали долю гелия-4, а дегазация недр уменьшала в первую очередь количество легкого изотопа вследствие его большей летучести. Кстати, в мантии Земли сохранился не только первичный гелий, но и другие газы.
В конце 1981 года обнаружение первичного солнечного гелия в мантии Земли было зарегистрировано в Государственном реестре СССР как открытие. «Суть нашего открытия,- сказал один из его авторов, профессор Б. А. Мамырин,- заключается в том, что мы выяснили новую особенность устройства нашей планеты. Всем известно, что земной шар имеет слоистую структуру - сверху тонкая (10 - 70 километров) земная кора, далее мантия толщиной около 3 тысяч километров, внутри тяжелое ядро. Мы установили, что гелии, которыми «пропитаны» породы земной коры и породы мантии, резко отличны по изотопному составу. В гелии мантии отношение Не3Д1е4 в тысячу раз больше, чем в гелии земной коры. Это редчайший феномен природы, поскольку сдвиги в изотопном отношении для различных элементов на Земле не превышают обычно нескольких процентов».
А теперь обещанные разгадки.
Итак, представление о полной потере Землей первичного гелия не подтвердилось. Но каким же образом была обеспечена сохранность самого легкого на планете газа? Оказалось, что первичный гелий мог сохраниться до наших дней лишь в одном случае: максимальная температура Земли при ее образовании не превышала 500-700 градусов по Цельсию. Иными словами, наша планета никогда не пребывала в расплавленном состоянии, иначе первичный гелий действительно мог бы испариться. Таким образом, проблема гелия, и гелия-3 в частности, должна учитываться при обсуждении истории образования планет Солнечной системы.
Дальнейший путь гелия лежит через атмосферу. И оказалось, что именно мантия с ее высокой концентрацией легкого изотопа гелия поставляет тот самый гелий-3, содержание которого в воздухе не поддавалось объяснению.
Сам факт сохранности первичного гелия в мантии очень многое дал для изучения планеты. Через глубинные разломы в земной коре, через подводные и материковые вулканы происходит постоянный выход гелия на поверхность - он как бы просвечивает, подобно рентгену, земную кору изнутри. И вещество, мигрирующее из мантии к поверхности, всегда оказывается помеченным гелием-3. Но в земной коре преобладает радиогенный гелий, и изотопная метка растворяется, а само изотопное соотношение постепенно уменьшается. Разумеется, это очень и очень медленный процесс. Только через миллиард лет после завершения геологической активности региона в горных породах установится характерное для радиогенного гелия изотопное соотношение.
Проблема первозданного гелия уводит в те далекие от нашего века времена, когда, по представлениям ученых, Вселенная являла собой сверхплотную и сверхгорячую материю. Потом началось расширение, или, как его называют ученые. Большой взрыв. Почему это произошло, современная наука не может дать ответа. Но восстановить предполагаемый ход событий оказалось возможным.
На самых ранних стадиях эволюции Вселенная была наполнена элементарными частицами. По мере ее остывания образовались ядра дейтерия, гелия-3 и гелия-4. лишь через миллион лет Вселенная остыла настолько, что электроны смогли присоединиться к атомным ядрам и образовались первые атомы. К этому времени наша Вселенная была только водородно-гелиевой. Остальные химические элементы родиться не успели. Они возникли позднее, спустя миллиарды лет, в процессе эволюции звезд. В первозданном же веществе Вселенной было около 70 процентов водорода и 30 процентов гелия, и примерно одна десятитысячная доля этого гелия приходилась на гелий-3.
Возможно, найден еще один, помимо реликтового излучения, свидетель первых мгновений Вселенной - гелий с характерным изотопным отношением. Недаром же, перефразируя известное высказывание Архимеда, физики утверждают: «Дайте нам водород и гелий, и мы построим Вселенную».

А. Ассовская, кандидат физико-математических наук

Гелий – подлинно благородный газ. Заставить его вступить в какие-либо реакции пока не удалось. Молекула гелия одноатомна.

По легкости этот газ уступает только водороду, воздух в 7,25 раза тяжелее гелия.

Гелий почти нерастворим в воде и других жидкостях. И точно так же в жидком гелии заметно не растворяется ни одно вещество.

Твердый гелий нельзя получить ни при каких температурах, если не повышать давление.

В истории открытия, исследования и применения этого элемента встречаются имена многих крупных физиков и химиков разных стран. Гелием интересовались, с гелием работали: Жансен (Франция), Локьер, Рамзай , Крукс, Резерфорд (Англия), Пальмиери (Италия), Кеезом, Камерлинг-Оннес (Голландия), Фейнман , Онсагер (США), Капица , Кикоин, Ландау (Советский Союз) и многие другие крупные ученые.

Неповторимость облика атома гелия определяется сочетанием в нем двух удивительных природных конструкций – абсолютных чемпионов по компактности и прочности. В ядре гелия, гелия-4, насыщены обе внутриядерные оболочки – и протонная, и нейтронная. Электронный дублет, обрамляющий это ядро, тоже насыщенный. В этих конструкциях – ключ к пониманию свойств гелия. Отсюда проистекают и его феноменальная химическая инертность и рекордно малые размеры его атома.

Огромна роль ядра атома гелия – альфа частицы в истории становления и развития ядерной физики. Если помните, именно изучение рассеяния альфа частиц привело Резерфорда к открытию атомного ядра. При бомбардировке азота альфа частицами было впервые осуществлено взаимопревращение элементов – то, о чем веками мечтали многие поколения алхимиков. Правда, в этой реакции не ртуть превратилась в золото, а азот в кислород, но это сделать почти так же трудно. Те же альфа частицы оказались причастны к открытию нейтрона и получению первого искусственного изотопа. Позже с помощью альфа частиц были синтезированы кюрий, берклий, калифорний, менделевий.

Мы перечислили эти факты лишь с одной целью – показать, что элемент №2 – элемент весьма необычный.

Земной гелий

Гелий – элемент необычный, и история его необычна. Он был открыт в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.

Гелий на Солнце открыли француз Ж. Жансен, проводивший свои наблюдения в Индии 19 августа 1868 г., и англичанин Дж.H. Локьер – 20 октября того же года. Письма обоих ученых пришли в Париж в один день и были зачитаны на заседании Парижской Академии наук 26 октября с интервалом в несколько минут. Академики, пораженные столь странным совпадением, приняли постановление выбить в честь этого события золотую медаль.

В 1881 г. об открытии гелия в вулканических газах сообщил итальянский ученый Пальмиери. Однако его сообщение, впоследствии подтвержденное, мало кто из ученых принял всерьез. Вторично земной гелий был открыт Рамзаем в 1895 г.

В земной коре насчитывается 29 изотопов, при радиоактивном распаде которых образуются альфа частицы – высокоактивные, обладающие большой энергией ядра атомов гелия.

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия – 4 Не, чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов – в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.

По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале, можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд лет превращается в гелий и свинец.

Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико – несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.

Природные соединения, в составе которых есть альфа активные изотопы, – это только первоисточник, но не сырье для промышленного получения гелия. Правда, некоторые минералы, обладающие плотной структурой – самородные металлы, магнетит, гранат, апатит, циркон и другие, – прочно удерживают заключенный в них гелий. Однако большинство минералов с течением времени подвергаются процессам выветривания, перекристаллизации и т.д., и гелий из них уходит.

Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки отправляются в путешествие по земной коре. Очень незначительная часть их растворяется в подземных водах. Для образования более или менее концентрированных растворов гелия нужны особые условия, прежде всего большие давления. Другая часть кочующего гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. Ловушками служат пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняются газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода и нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.

Так как в земной коре странствуют и другие газы (главным образом метан, азот, углекислота), и притом в гораздо больших количествах, то чисто гелиевых скоплений не существует. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко – десятых долей процента. Большая (1,5...10%) гелиеносность метано-азотных месторождений – явление крайне редкое.

Природные газы оказались практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой сжижения. После того как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%.

Запасы гелия на Земле оцениваются в 5·10 14 м 3 ; судя же по вычислениям, его образовалось в земной коре за 2 млрд лет в десятки раз больше. Такое расхождение теории с практикой вполне объяснимо. Гелий – легкий газ и, подобно водороду (хотя и медленнее), не улетучивается из атмосферы в мировое пространство. Вероятно, за время существования Земли гелий нашей планеты неоднократно обновлялся – старый улетучивался в космос, а вместо него в атмосферу поступал свежий – «выдыхаемый» Землей.

В литосфере гелия по меньшей мере в 200 тыс. раз больше, чем в атмосфере; еще больше потенциального гелия хранится в «утробе» Земли – в альфа активных элементах. Но общее содержание этого элемента в Земле и атмосфере невелико. Гелий – редкий и рассеянный газ. На 1 кг земного материала приходится всего 0,003 мг гелия, а содержание его в воздухе – 0,00052 объемного процента. Столь малая концентрация не позволяет пока экономично извлекать гелий из воздуха.

Гелий во Вселенной

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только 1%! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе.

Рис. 1. Кривые распространенности элементов на Земле (вверху) и в космосе.
«Космическая» кривая отражает исключительную роль водорода и гелия в мироздании и особое значение гелиевой группировки в строении атомного ядра. Наибольшую относительную распространенность имеют те элементы и те их изотопы, массовое число которых делится на четыре: 16 О, 20 Ne, 24 Mg и т.д.

Вероятно, все планеты солнечной системы содержат радиогенный (образовавшийся при альфа распаде) гелий, а крупные – и реликтовый гелий из космоса. Гелий обильно представлен в атмосфере Юпитера: по одним данным его там 33%, по другим – 17%. Это открытие легло в основу сюжета одного из рассказов известного ученого и писателя-фантаста А. Азимова. В центре повествования – план (возможно, осуществимый в будущем) доставки гелия с Юпитера, а то и заброски на ближайший спутник этой планеты – Юпитер V – армады кибернетических машин на криотронах (о них – ниже). Погрузившись в жидкий гелий атмосферы Юпитера (сверхнизкие температуры и сверхпроводимость – необходимые условия для работы криотронов), эти машины превратят Юпитер V в мозговой центр солнечной системы...

Происхождение звездного гелия было объяснено в 1938 г. немецкими физиками Бете и Вейцзекером. Позже их теория получила экспериментальное подтверждение и уточнение с помощью ускорителей элементарных частиц. Суть ее в следующем.

Ядра гелия синтезируются при звездных температурах из протонов в результате термоядерных процессов, высвобождающих 175 млн киловатт-часов энергии на каждый килограмм гелия.

Разные циклы реакций могут привести к синтезу гелия.

В условиях не очень горячих звезд, таких, как наше Солнце, преобладает, по-видимому, протонно-протонный цикл. Он складывается из трех последовательно сменяющихся превращений. Вначале соединяются на огромных скоростях два протона с образованием дейтрона – конструкции из протона и нейтрона; при этом отделяются позитрон и нейтрино. Далее соединяются дейтрон с протоном в легкий гелий с испусканием гамма кванта. Наконец, реагируют два ядра 3 Не, преобразуясь в альфа частицу и два протона. Альфа-частица, обзаведясь двумя электронами, станет потом атомом гелия.

Тот же конечный результат дает более быстрый углеродно-азотный цикл, значение которого в условиях Солнца не очень велико, но на более горячих, чем Солнце, звездах роль этого цикла усиливается. Он складывается из шести ступеней – реакций. Углерод играет здесь роль катализатора процесса слияния протонов. Энергия, выделяемая в ходе этих превращений, такая же, как и при протонно-протонном цикле – 26,7 МэВ на один атом гелия.

Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.

Гелий не всегда бывает конечным продуктом звездных синтезов. По теории профессора Д.А. Франк-Каменецкого, при последовательном слиянии ядер гелия образуются 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, а захват этими ядрами протонов приводит к возникновению других ядер. Для синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до трансурановых требуются исключительные сверхвысокие температуры, которые развиваются на неустойчивых «новых» и «сверхновых» звездах.

Известный советский химик А.Ф. Капустинский называл водород и гелий протоэлементами – элементами первичной материи. Не в этой ли первичности скрыто объяснение особого положения водорода и гелия в периодической системе элементов, в частности того факта, что первый период по существу лишен периодичности, характерной для прочих периодов?

Самый, самый...

Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию – 78,61 МэВ. Отсюда – феноменальная химическая пассивность гелия.

За последние 15 лет химикам удалось получить более 150 химических соединений тяжелых благородных газов (о соединениях тяжелых благородных газов будет рассказано в статьях «Криптон» и «Ксенон»). Однако инертность гелия остается, как и прежде, вне подозрений.

Вычисления показывают, что если бы и был найден путь получения, скажем фторида или окисла гелия, то при образовании они поглотили бы так много энергии, что получившиеся молекулы были бы «взорваны» этой энергией изнутри.

Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики – меньше, чем в любом другом веществе. Отсюда – самые низкие значения критических величин, наинизшая температура кипения, наименьшие теплоты испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него но действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет.

Нет также другого газа, столь ничтожно растворимого в жидкостях, особенно полярных, и так мало склонного к адсорбции, как гелий. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость мала.

Поразительно быстро проникает гелий сквозь тонкие перегородки из некоторых органических полимеров, фарфора, кварцевого и боросиликатного стекла. Любопытно, что сквозь мягкое стекло гелий диффундирует в 100 раз медленнее, чем сквозь боросиликатное. Гелий может проникать и через многие металлы. Полностью непроницаемы для него лишь железо и металлы платиновой группы, даже раскаленные.

На принципе избирательной проницаемости основан новый метод извлечения чистого гелия из природного газа.

Исключительный интерес проявляют ученые к жидкому гелию. Во-первых, это самая холодная жидкость, в которой к тому же не растворяется заметно ни одно вещество. Во-вторых, это самая легкая из жидкостей с минимальной величиной поверхностного натяжения.

При температуре 2,172°К происходит скачкообразное изменение свойств жидкого гелия. Образующаяся разновидность условно названа гелием II. Гелий II кипит совсем не так, как прочие жидкости, он не бурлит при кипении, поверхность его остается совершенно спокойной. Гелий II проводит тепло в 300 млн раз лучше, чем обычный жидкий гелий (гелий I). Вязкость гелия II практически равна нулю, она в тысячу раз меньше вязкости жидкого водорода. Поэтому гелий II обладает сверхтекучестью – способностью вытекать без трения через капилляры сколь угодно малого диаметра.

Другой стабильный изотоп гелия 3 Не переходит в сверхтекучее состояние при температуре, отстоящей от абсолютного пуля всего на сотые доли градусов. Сверхтекучие гелий-4 и гелий-3 называют квантовыми жидкостями: в них проявляются квантово-механические эффекты еще до их отвердевания. Этим объясняется весьма детальная изученность жидкого гелия. Да и производят его ныне немало – сотни тысяч литров в год. А вот твердый гелий почти не изучен: велики экспериментальные трудности исследования этого самого холодного тела. Бесспорно, пробел этот будет заполнен, так как физики ждут много нового от познания свойств твердого гелия: ведь он тоже квантовое тело.

Инертный, но очень нужный

В конце прошлого века английский журнал «Панч» поместил карикатуру, на которой гелий был изображен хитро подмигивающим человечком – жителем Солнца. Текст под рисунком гласил: «Наконец-то меня изловили и на Земле! Это длилось достаточно долго! Интересно знать, сколько времени пройдет, пока они догадаются, что делать со мной?»

Действительно, прошло 34 года со дня открытия земного гелия (первое сообщение об этом было опубликовано в 1881 г.), прежде чем он нашел практическое применение. Определенную роль здесь сыграли оригинальные физико-технические, электрические и в меньшей мере химические свойства гелия, потребовавшие длительного изучения. Главными же препятствиями были рассеянность и высокая стоимость элемента №2.

Первыми гелий применили немцы. В 1915 г. они стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.

Многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды; и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.

Инертный, легкий, подвижный, хорошо проводящий тепло гелий – идеальное средство для передавливания из одной емкости в другую легко воспламеняемых жидкостей и порошков; именно эти функции выполняет он в ракетах и управляемых снарядах. В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов.

С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.

Последние годы ознаменованы повторным подъемом дирижаблестроения, теперь на более высокой научно-технической основе. В ряде стран построены и строятся дирижабли с гелиевым наполнением грузоподъемностью от 100 до 3000 т. Они экономичны, надежны и удобны для транспортировки крупногабаритных грузов, таких, как плети газопроводов, нефтеочистительные установки, опоры линий электропередач и т.п. Наполнение из 85% гелия и 15% водорода огнебезопасно и только на 7% снижает подъемную силу в сравнении с водородным наполнением.

Начали действовать высокотемпературные ядерные реакторы нового типа, в которых теплоносителем служит гелий.

В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.

Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тыс. эрстед) при ничтожных затратах энергии.

При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле – криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.

Конечно, этими примерами не исчерпывается роль гелия в современной технике. Но если бы не ограниченность природных ресурсов, не крайняя рассеянность гелия, он нашел бы еще множество применений. Известно, например, что при консервировании в среде гелия пищевые продукты сохраняют свой первоначальный вкус и аромат. Но «гелиевые» консервы пока остаются «вещью в себе», потому что гелия не хватает и применяют его лишь в самых важных отраслях промышленности и там, где без него никак не обойтись. Поэтому особенно обидно сознавать, что с горючим природным газом через аппараты химического синтеза, топки и печи проходят и уходят в атмосферу намного большие количества гелия, чем те, что добываются из гелиеносных источников.

Сейчас считается выгодным выделять гелий только в тех случаях, если его содержание в природном газе не меньше 0,05%. Запасы такого газа все время убывают, и не исключено, что они будут исчерпаны еще до конца нашего века. Однако, проблема «гелиевой недостаточности» к этому времени, вероятно, будет решена – частично за счет создания новых, более совершенных методов разделения газов, извлечения из них наиболее ценных, хотя и незначительных по объему фракций, и частично благодаря управляемому термоядерному синтезу. Гелий станет важным, хотя и побочным, продуктом деятельности «искусственных солнц».

Изотопы гелия

В природе существуют два стабильных изотопа гелия: гелий-3 и гелий-4. Легкий изотоп распространен на Земле в миллион раз меньше, чем тяжелый. Это самый редкий из стабильных изотопов, существующих на нашей планете. Искусственным путем получены еще три изотопа гелия. Все они радиоактивны. Период полураспада гелия-5 – 2,4·10 –21 секунды, гелия-6 – 0,83 секунды, гелия-8 – 0,18 секунды. Самый тяжелый изотоп, интересный тем, что в его ядрах на один протон приходится три нейтрона, впервые подучен в Дубне в 60-х годах. Попытки получить гелий-10 пока были неудачны.

Последний твердый газ

В жидкое и твердое состояние гелий был переведен самым последним из всех газов. Особые сложности сжижения и отверждения гелия объясняются строением его атома и некоторыми особенностями физических свойств. В частности, гелий, как и водород, при температуре выше – 250°C, расширяясь, не охлаждается, а нагревается. С другой стороны, критическая температура гелия крайне низка. Именно поэтому жидкий гелий впервые удалось получить лишь в 1908, а твердый – в 1926 г.

Гелиевый воздух

Воздух, в котором весь азот или большая его часть заменена гелием, сегодня уже не новость. Его широко используют на земле, под землей и под водой.

Гелиевый воздух втрое легче и намного подвижнее обычного воздуха. Он активнее ведет себя в легких – быстро подводит кислород и быстро эвакуирует углекислый газ. Вот почему гелиевый воздух дают больным при расстройствах дыхания и некоторых операциях. Он снимает удушья, лечит бронхиальную астму и заболевания гортани.

Дыхание гелиевым воздухом практически исключает азотную эмболию (кессонную болезнь), которой при переходе от повышенного давления к нормальному подвержены водолазы и специалисты других профессий, работа которых проходит в условиях повышенного давления. Причина этой болезни – довольно значительная, особенно при повышенном давлении, растворимость азота в крови. По мере уменьшения давления он выделяется в виде газовых пузырьков, которые могут закупорить кровеносные сосуды, повредить нервные узлы... В отличие от азота, гелий практически нерастворим в жидкостях организма, поэтому он не может быть причиной кессонной болезни. К тому же гелиевый воздух исключает возникновение «азотного наркоза», внешне сходного с алкогольным опьянением.

Рано или поздно человечеству придется научиться подолгу жить и работать на морском дне, чтобы всерьез воспользоваться минеральными и пищевыми ресурсами шельфа. А на больших глубинах, как показали опыты советских, французских и американских исследователей, гелиевый воздух пока незаменим. Биологи доказали, что длительное дыхание гелиевым воздухом не вызывает отрицательных сдвигов в человеческом организме и не грозит изменениями в генетическом аппарате: гелиевая атмосфера не влияет на развитие клеток и частоту мутаций. Известны работы, авторы которых считают гелиевый воздух оптимальной воздушной средой для космических кораблей, совершающих длительные полеты во Вселенную. Но пока за пределы земной атмосферы искусственный гелиевый воздух еще не поднимался.

Любопытно, что на нашей железо-кремниевой планете занимает далеко не первое место, пропуская вперед множество химических элементов. Более того, относительное содержание гелия во внешних оболочках Земли, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, в десятки миллиардов раз меньше, чем во Вселенной в целом. Предполагают, что тот , который был захвачен Землей при ее образовании, постепенно улетучился, ушел в мировое пространство, как, впрочем, и свободный .

Однако и , и полностью покинуть Землю не могли. Первый присутствует на Земле в химически связанном состоянии, второй постоянно возникает в процессе радиоактивного распада. И хотя гелий в свободном состоянии не встречается, геологи утверждают, что невозможно найти природную газовую смесь совершенно лишенную гелия. Концентрация гелия в природных газах, естественно, невелика и варьирует в широчайших пределах: от десятитысячных долей процента до нескольких процентов. И хотя на Земле нет таких областей, о которых можно сказать, что они насыщены гелием, этот элемент присутствует повсюду. Он рассеян по планете.

Гелий в атмосфере

Вскоре после открытия У. Рамзая, когда гелий обрел права гражданства на нашей планете, начались усиленные поиски его на Земле. Довольно скоро выяснилось, что гелий все же входит в состав земной атмосферы. Впервые это было установлено при взятии проб воздуха над Бонном в 1904 году, а спустя 9 лет присутствие этого элемента в земном воздухе получило окончательное подтверждение. Правда, в земной атмосфере его оказалось чрезвычайно мало: около 0,0005 об- %. Впоследствии эти данные неоднократно проверялись. Оказалось, что содержание гелия в земной атмосфере отличается постоянством. Согласно уточненным данным, на каждую 1000 м ³ воздуха приходится 5,24 л гелия. Позднее, когда возник промышленный интерес к гелию, стало ясно, что источником гелия воздух быть не может.

Сначала предполагали, что обедненность гелием характерна лишь для прилегающего к Земле атмосферного слоя. Ожидалось, что верхние слои атмосферы более насыщены им. Однако исследование этих слоев, начатое еще в 30-е годы при помощи радиозондов и стратостатов, а после второй мировой войны с помощью ракет и искусственных спутников Земли, показало, что это не так. Состав атмосферы остается удивительно постоянным, т. е в основном азотно-кислородная атмосфера сохраняется на протяжении 100 км от поверхности Земли. Лишь в экзосфере, внешней, постепенно переходящей в космическое пространство оболочке Земли, концентрация свободного гелия заметно увеличивается.

Водное пространство планеты, как заметил в свое время В. И. Вернадский, так же как и атмосфера, не может быть местом сосредоточения гелия. Дело в том, что он плохо растворяется в воде. В 1 л морской воды содержится около одной-двух десятитысячных долей гелия и других инертных газов, хотя не исключено, что на больших глубинах, где давление достигает 1000 кгс/см ² , гелия в воде может несколько увеличиться.

Хранилища гелия

Земная кора более богата гелием, чем атмосфера и гидросфера. По оценкам, сделанным еще В. И. Вернадским, гелий столь же распространен в земной коре, как , и , хотя, конечно, распространенность его на Земле значительно ниже, чем во Вселенной в целом. В. И. Вернадский не раз задавался вопросом: «Почему так мало гелия? Куда он девался?».

Вскоре после открытия гелия начались его интенсивные поиски в горных породах. Именно в составе минералов и был впервые обнаружен земной гелий. Еще У. Рамзай обратил внимание на , что все богатые ураном и торием содержат и гелий. Но почему это так, в 1897 году объяснить не могли. вообще способны были удерживать многие газы, не только гелий.

Содержание гелия в урановых минералах, в частности в 1 г торианита, достигает 10,5 см ³ . Это означает, что парциальное давление гелия внутри кристаллической решетки минерала могло составлять примерно 10 кгс/см ² . В 1 г знакомого нам клевеита содержится 0,8-3,5 см ³ гелия.

Когда была установлена генетическая связь гелия с радиоактивными веществами, присутствие его в содержащих и минералах стало понятным: гелий должен был постоянно образовываться в результате радиоактивного распада. Это обстоятельство показалось очень перспективным для определения абсолютного возраста горных пород. Но о проблемах геохронологии мы будем более подробно говорить в главе VII. Зесь же нас интересует другое: колебания содержания гелия в минералах были столь велики и, как оказалось, далеко не всегда пропорциональны возрасту минералов, что определяемый с помощью гелия возраст оказывался в десятки и даже в сотни раз заниженным или завышенным. не были самым надежным хранилищем гелия.

Но, пожалуй, самым интересным было , что наряду с минералами, содержащими гелий, накопившийся в результате радиоактивного распада, нашлись и такие, где радиоактивный распад не происходил или же концентрация радиоактивных веществ была ничтожной, но гелий наблюдался в повышенном количестве. Впервые с этим явлением столкнулся в 1903 году английский ученый Р. Стретт, который систематически исследовал очень многие минералы на предмет содержания в них гелия. Особенно богаты гелием оказались бериллы. Но обнаруженный в них гелий никак не связывался с радиоактивностью элементов, входящих в их состав. Содержание гелия в бериллах из различных месторождений колебалось, но Р. Стретт установил, что, чем древнее минерал, тем больше в нем гелия. Возраст таких минералов, определенный по гелиевому методу, достигал десятков миллиардов лет и значительно превышал возраст самой Земли.

Объяснение этому явлению дал в 40-х годах текущего столетия советский ученый Э. К. Герлинг, который в результате специально поставленных экспериментов показал, что в расплавленных породах гелия, заметно возрастает. Таким образом, избыточный гелий, очевидно, не имеет никакого отношения к собственной радиоактивности минерала. Он попал в эти минералы еще в время, когда на поверхности Земли господствовали достаточно высокие температуры и многие породы находились в расплавленном состоянии. Минералы, содержащие избыточный гелий, очевидно, представляют интерес не для определения возраста горных пород, а для получения сведений о тепловой истории Земли.

Долгое время, во всяком случае до первой мировой войны, минералы служили единственным источником свободного гелия. При нагревании минералов до 1000 °С можно было заставить их расстаться с гелием, попавшим в поровое пространство. Однако таким способом удалось получить незначительное количество гелия: его хватило лишь для научных исследований.

Кстати, именно таким путем добыл гелий для своих ставших классическими опытов по обращению гелия в жидкое состояние голландский ученый X. Камерлинг-Оннес.

«Пузыри Земли»

«Земля, как и , содержит газы, и это были пузыри Земли». Эти слова вложил В. Шекспир в уста одного из своих героев.

Природные газы, как их понимает современная наука,- это часть естественного природного , находящегося в газообразном состоянии. В понятие «природные газы» атмосфера не входит. Природные газы - это сравнительно небольшие объемы газа, спрятанного в порах горных пород. Размеры пор и пустот в недрах могут колебаться в широчайших пределах: от долей микрометра до сотен кубических метров. В природных газах немало компонентов: и двуокись углерода, широчайшая гамма углеводородов, начиная от метана и кончая более сложными соединениями, и и, как правило, гелий с аргоном.

Поскольку гелий генетически связан с радиоактивными элементами, которые рассеяны в земной коре, то и он, как правило, образуется всюду. Частично, как мы уже знаем, накапливается в минералах, а частично растворяется в том веществе, которое его окружает: в первую очередь в воде, а также в природных газах и в нефти. Вместе с природными газами, нефтью, под-. земными водами гелий мигрирует по трещинам и порам, которыми изобилуют горные породы, и, как сказала известный советский геолог В. П. Якуцени, «создает там некоторый, пусть небольшой, но заметный фон собственного присутствия».

На отдельных участках содержание гелия может быть даже весьма -большим. Из всех компонентов максимально обогащенными гелием оказываются именно природные газы. Рекордсменом в этом отношении стал горячийfисточник в Танзании, где содержание гелия в газах, растворенных в водах, достигло 17,7 %.

Исследование-«ископаемого гелия» началось еще в конце прошлого века: впервые его обнаружили в вулканических газах Италии, затем в, гейзерах Исландии. Постепенно выяснилось, что в том или ином количестве он наряду с другими благородными газами Присутствует в природных газах различного происхождения: вулканического (сопровождающих извержение вулканов и являющихся результатом химических реакций, протекающих при высоких температурах), тектонического (такие газовые струи возникают там, где имеются нарушения залегания горных пород; выводящими путями для них служат тектонические трещины) и, наконец, осадочного. Нашли гелий и в составе рудничных газов.

Конечно, степень насыщенности естественных газов гелием зависит от многих факторов, в частности от интенсивности поступающего гелия из окружающих пород. Но ни , ни нефть по степени накопления гелия не могут конкурировать с природными газами И с практической точки зрения, как потенциальный источник гелия, наибольший интерес представляют именно «пузыри Земли», т. е. газовые месторождения

Гелий-3 на Земле

Если радиоактивным изотопам гелия из-за кратковременности их существования так и не удалось покинуть лабораторию и сыграть сколько-нибудь значительную роль в эволюции , то поиски второго после гелия-4 стабильного изотопа - гелия-3 - представляют определенный интерес. Здесь ученым пришлось столкнуться с очередной загадкой гелия: легкий изотоп встречался в земном веществе в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды раз реже, чем гелий-4.

На изотопное отношение природного гелия обратили внимание еще в 1939 году, после открытия изотопа гелия с массовым числом 3. Первые оценки содержания гелия-3 в атмосфере и некоторых природных газах, сделанные Л. Альваресом и Р. Корногом, показали, что его в 10 ⁶ - 10 ⁸ раз меньше, чем гелия-4. То, что этот изотоп не был обнаружен в свое время Ф. Астоном, казалось неудивительным: чтобы определить присутствие таких малых количеств изотопа гелия-3, нужна была более чувствительная аппаратура.

Самым же странным было не крайне низкое содержание гелия-3, изотопа стабильного в земном веществе, а необычайные вариации изотопного отношения гелия.

«В природе нет другого элемента, изотопное отношение которого менялось бы в столь широких пределах (отношение 3Не/4Не меняется более, чем на девять порядков)»,- писал в 1956 году известный советский

физик В. В. Чердынцев.

Исследование изотопного отношения гелия в природе знаменовало собой начало второго гелиевого века. Оказалось, что в различных местах земного шара оно различно. Наиболее высокая концентрация гелия-3 характерна для вулканических газов, где отношение ³ Не/ ⁴ Не примерно в 10 раз превышает атмосферное. Меньше всего гелия-3 обнаружили в радиоактивных минералах, где отношение 3Не/4Не приблизительно равно 10 ⁻ ¹⁰ . Это становится понятным, если учесть, что радиоактивные минералы содержат до 10 % урана и тория, при альфа-распаде которых постоянно пополняются запасы только тяжелого изотопа гелия. А вот литиевые минералы оказались в десятки и сотни тысяч раз более богатыми гелием-3, чем урановые и ториевые.

Обращало на себя внимание и такое обстоятельство: чем с больших глубин брались пробы газа, тем более высоким оказывалось и изотопное отношение гелия. Для вулканических и природных газов осадочной толщи оно различалось в сотни тысяч раз.

Возникал вопрос: имеет ли какое-либо отношение распространенность гелия-3 к проблеме происхождения гелия на Земле? Для ответа на вопрос необходимо обратиться к внеземным объектам. Оказалось, что практически во всех объектах внеземного происхождения: метеоритах и образцах лунного грунта, космическом излучении и солнечном ветре - присутствуют стабильные гелия. В 1952 году Ф. Панет исследовал изотопное отношение гелия в железных метеоритах. Он нашел, что хотя гелий и составляет миллионные доли метеоритов, но изотопное отношение его достигает рекордного по сравнению с веществом Земли значения: 0,315. Предполагали, что легкий изотоп гелия образуется в метеоритах в результате ядерных реакций, протекающих под действием космического излучения. Подсчитано, что за один год в 1 г вещества железных метеоритов может обра-зовываться 5·10 ⁻ ¹⁴ см ³ гелия. А возраст метеоритов составляет 10 ⁸ - 10 ⁹ лет, и все это время они подвергаются «обстрелу» космическим излучением.

В каменных метеоритах изотопное отношение ге-лия в десятки раз ниже, чем в железных. Такое обеднение легким изотопом гелия объясняют, как и в случае радиоактивных минералов Земли, тем, что доля радиогенного гелия, возникшего в этих телах в результате альфа-распада, выше, чем в железных метеоритах из-за более высокого содержания в них радио-активных элементов. Кстати, такое обогащение гелием-3 справедливо только для поверхностных областей метеоритов, куда могло проникнуть космическое излучение. Во внутренних же областях метеоритов изотопное отношение гелия оказывается удивительно постоянным: 3·10 ⁻ ⁴ , т. е. на 10000 ядер гелия приходится три его легких изотопа.

Впервые такие данные получили в 1955 году советские ученые Э. К. Герлинг и Л. К. Левский, изучавшие состав метеорита Старое Песьяное. Они пред-, положили, что в веществе метеоритов сохранился так называемый первичный, солнечный, гелий, отражающий состав того вещества, из которого метеориты некогда образовались. Гипотеза о сохранении первичного гелия получила подтверждение, когда в руки исследователей попали образцы лунного грунта, доставленные советскими космическими станциями «Луна-16», «Луна-17» и американской экспедицией «Аполлон-14». В лунных породах изотопное отношение гелия было гораздо выше, чем для любого образца земного вещества: 10 ⁻ ² -10 ⁻ ⁴ .

Гелий-3 в космосе

Однако в природе есть еще один объект (если его можно назвать объектом), богатый гелием-3. Это - космическое излучение. Несмотря на исчисляемый миллионами лет возраст, это излучение - не первое (относительно начала расширения) поколение вещества Вселенной. Согласно современным представлениям галактическое космическое излучение образуется во время взрывов сверхновых звезд, когда высокие температуры и огромная концентрация нейтронов делают за короткое время осуществимыми реакции присоединения нейтронов. И это приводит к возникновению практически всех мыслимых изотопов атомных ядер. В космическом излучении, как и во Вселенной в целом, гелий занимает второе место после водорода: 85 % водорода, 14 % гелия и 1 % ядер.

Относительно изотопного состава космического излучения долго сведений не было. Дело в том, что основным детектором, позволяющим судить о зарядах частиц, входящих в состав космического излучения,

долгое время служила ядерная фотоэмульсия, с помощью которой можно было провести достаточно надежную идентификацию частиц в зависимости от зарядов, но не от масс частиц. Гелий-3 и гелий-4, попавшие в фотоэмульсию, практически неразличимы, как и гелий-6 и гелий-8. Но радиоактивные гелия можно идентифицировать по их распадам, как это, в частности, было сделано в опытах О. В. Ложкина и А. А. Римского-Корсакова.

Было установлено, что изотопное отношение гелия в космическом излучении достаточно высоко. При энергии 8 - 350 МэВ/нуклон одно ядро гелия-3 можно встретить среди десяти ядер гелия-4. А в составе очень быстрой, галактической, части космического излучения гелий-3 может встретиться даже чаще, чем основной изотоп.

В околосолнечном пространстве есть еще один источник корпускулярного, т. е. состоящего из частиц, излучения. Это - солнечный ветер, представляющий собой поток нейтральной плазмы из положительно заряженных частиц [в основном легких ядер: протонов, дейтронов, тритонов (ядер трития), гелия-3 и гелия-4 и электронов. Солнечный ветер отражает состав внешних оболочек Солнца. Интересующее нас изотопное отношение ³ Не/ ⁴ Не в солнечном ветре составляет (З ÷ 4)·10 ⁻ ⁴ .

Солнечный ветер «дует» в нашей Солнечной системе постоянно. Но энергия и интенсивность входящих в его состав частиц невелики, во всяком случае поверхности Земли солнечный ветер достигнуть не может; атмосфера и магнитное поле нашей планеты полностью гасят его «порывы». Что же касается безатмосферных планет земной группы (Луны, Меркурия), к тому же лишенных магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы, то их поверхности находятся под непрерывным «обстрелом» солнечными частицами. И это не может не сказаться на изотопном составе. Поэтому неудивительно, что в пробах лунного грунта изотопное отношение гелия было таким же, что и для солнечного ветра.

Однако время от времени астрономы наблюдают явления, которые называют солнечными вспышками. При помощи специальной аппаратуры, установленной на космических аппаратах, удалось выяснить, что многие вспышки аномально богаты гелием-3, именно гелием-3, который по содержанию в несколько раз превышал гелкй-4, а нередко был сравним с потоками водорода. Наиболее вероятное объяснение этих фактов связывается с ядерными реакциями, протекающими на поверхности Солнца, хотя, очевидно, имеется и некоторая связь между содержанием гелия-3 в солнечных недрах и энергетикой Солнца. Именно ядерные реакции объясняют и обогащение поверхностных областей метеоритов и космического излучения гелием-3.

В 40-50-х годах многими физиками, изучавшими взаимодействие достаточно энергичных частиц (протонов, мезонов, нейтронов, легких ядер как космического происхождения, так и искусственно ускоренных) с атомными ядрами, наблюдалось рождение новых ядер из ядерного вещества. Физики назвали этот процесс фрагментацией. Оказалось, что при расщеплении атомных ядер частицами высоких энергий могут образовываться практически все легких ядер какие только могут быть в природе. Выяснилось что этот процесс играет не последнюю роль и в эволюции Вселенной.

Именно фрагментацией можно объяснить богатые гелием-3 солнечные вспышки. Осколки ядер рожденных из атомных ядер, в которые попали частицы космического излучения, меняют химический со-став метеоритов. И даже состав космического излучения при его длительном путешествии через межзвёздную среду в известной степени определяется фрагментацией. В ядерных реакциях, протекающей под действием протонов, пи-мезонов, дейтронов и других частиц высокой энергии, доля гелия-3 (по отношению к гелию-4) может достигать в среднем 40 %, причем в высокоэнергетической части спектра отношение гелия-3 к гелию-4 приблизительно равно 3. Таким образом, неудивительно, что в тех космических объектах, где в течение.длительного времени происходили ядерные превращения, должно накопиться гораздо больше гелия-3, чем осталось от первых, начальных, мгновений Вселенной. И поскольку содержание гелия-3 и гелия-4 постоянно меняется, возникает вопрос: сохранилось ли первозданное изотопное отношение гелия и если сохранилось, то где его искать?

Через несколько поколений воздушные шары могут стать историей. Купите воздушный шарик. Отпустите его и смотрите, как он сжимается в крошечную точку и исчезает в стратосфере. Потом он или взлетит слишком далеко и треснет, или из него медленно выйдут компоненты, которые легче воздуха. Так или иначе, гелий улетучится из воздушного шарика и из атмосферы. Земной гелий буквально улетает в космос.

Это будущее мирового гелия в ближайшие сто лет, говорят ученые. Такова судьба газа, который легче воздуха: гравитация просто не может его удержать. Земная кора выделяет немного гелия, но он быстро уходит из атмосферы. Количество гелия в ней стабильно держится на 0,00052 объемного процента. Извлекать столь маленькое количество из воздуха было бы очень дорого. Гелий, который можно покупать и использовать, добывается из природных газовых резервов, в основном в США.

Использованный (в воздушных шариках, магнитно-резонансной томографии или ракетах) гелий поднимается вверх, вверх и прочь. Поскольку запасы гелия понемногу истощаются, цены на него уже начинают расти и воздушные шары уступают место более серьезным способам его применения. Через сотню лет воздушный шарик, возможно, обойдется дороже кольца из чистого золота. Несмотря на то, что ученые знали о надвигающемся дефиците гелия еще несколько десятилетий назад, это стало новостью только в последние пять лет.

Почему? Причины кроются в сложной политической истории гелия.

Как мы к этому пришли?

Гелиос на колеснице Солнца. Никола Бертен (Nicolas Bertin)

В 1868 гелий впервые был замечен как линия в спектре света во время солнечного затмения. Название «гелий» связано с греческим богом Гелиосом, который каждый день возил солнце по небу на золотой колеснице. В 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай впервые обнаружил этот газ на Земле. В том же году шведские химики Пер Теодор Клеве и Абрам Ленгле собрали достаточно газа, чтобы определить его атомный номер — 2.

Элемент присутствует в солнечной энергии, потому что Солнце — огромный шар из водорода и гелия. Притяжение Солнца настолько сильно, что в его центре атомы водорода (с одним протоном) сплавляются и становятся атомами гелия (с двумя протонами). Этот процесс называется термоядерной реакцией и высвобождает энергию — в количестве, достаточном, чтобы мы видели солнечный свет и чувствовали тепло на расстоянии 150 000 000 км. Но нам не достается солнечный гелий. Этот газ, впервые выделенный учеными, был побочным продуктом растворения настурана (наиболее распространенного минерала урана) в кислоте — процесса и радиоактивного, и дорогого.

В 1903 году нефтяная вышка в Канзасе обнаружила гейзер разочаровывающе негорючего газа. Этот газ отправился в лабораторию на анализ и оказался 1.8% гелием — намного более концентрированным, чем тот, который содержится в атмосфере. Инженеры начали изучать газ из других скважин в стране, и в результате в 1906 году ученые заявили: «Гелий — не редкий, а распространенный элемент, и нам предстоит найти применение его обширным запасам».

Почему гелий намного больше, чем водород, подходит для дирижаблей

Оказавшись распространенным веществом, гелий стал естественным решением для резиновых шаров и дирижаблей, которые раньше заполняли столь же легким, но огнеопасным водородом. Гелий менее распространен за пределами США, и правительство хотело сохранить это преимущество. В 1925 году Конгресс утвердил Федеральный запас гелия для военных и коммерческих дирижаблей, а принятый в 1927 году закон запрещал экспорт гелия. В результате дирижабли других стран, например, Гинденбург, по-прежнему заправлялись водородом, что и привело к известной катастрофе.

Вскоре были найдены и другие способы использования ресурса. У него самая низкая температура кипения среди всех известных веществ — минус 269 градусов Цельсия, поэтому в жидком состоянии гелий — идеальный хладагент. Кипящая жидкость сохраняет температуру, при которой кипит, до тех пор, пока остается жидкостью, — она не становится горячее. Вода не может быть горячее ста градусов, и жидкий гелий не может быть горячее -269. Ресурс начали использовать для изоляции сварочных дуг, а позже — в сверхпроводниках, ядерных реакторах и криогенике. Сейчас этот газ чаще всего используется именно как охладитель.

Со времен Манхэттенского проекта гелий используется для поиска утечек: это инертный газ, который не реагирует с другими веществами и проникает в отверстия очень быстро. Он используется для измерения радиации и в медицинской визуализации.

Температура магнитов в аппарате для магнитно-резонансной томографии поддерживается с помощью гелия.

Федеральный запас

Хотя использование дирижаблей, заполненных гелием, прекратилось, во второй половине двадцатого века Федеральный запас гелия продолжал существовать и расширяться, потому что газ был полезен для правительственных нужд, в основном для космической и оборонной промышленности.

В 1996 году Федеральный запас составил миллиард кубических метров, но перестал представлять интерес для американского правительства, отчасти из-за плохого финансового менеджмента. «Вашингтон пост» писала: «В 1996 году запас гелия выглядит транжирством. Дирижабли перестали быть жизненно важной частью военно-воздушного флота, и, главное, заплатив бурильщикам за извлечение гелия из природного газа, хранилище осталось должно $1 400 000 000».

И Рейган, и Клинтон обещали решить эту проблему, и в 1996 году Конгресс принял закон о приватизации гелия. С 2005 года запас следовало начать распродавать по фиксированной цене, а не по рыночной стоимости, а к 2015 году планировалось закончить продажи и закрыть хранилище.

Воздушный шар на Параде Дня благодарения Macy’s (Macy"s Thanksgiving Day Parade)

Поэтому рынок наполнился гелием, его цена резко упала, а потребление, по мнению защитников природы, резко возросло. «Из-за этого закона гелий слишком подешевел и не воспринимается как ценный ресурс. Его транжирят. [...] Гелий не удавалось распродать так быстро, как хотелось, и мировые цены на него смехотворно низки», — сказал в 2010 году нобелевский лауреат Роберт Ричардсон (Robert Richardson).

Профессор Ричардсон считает, что цены на гелий нужно увеличить в 20-50 раз, чтобы стимулировать его вторичное использование. Например, НАСА даже не пытается заново использовать гелий после чистки баков для ракетного топлива, на которую тратится очень много этого газа. Также профессор Ричардсон считает, что воздушные шарики, наполненные гелием, стоят слишком дешево. Каждый из них должен стоит около $100 — такова ценность газа, который в них находится.

Ричардсон считает, что, если нынешние темпы потребления сохранятся, то мировых запасов гелия хватит примерно на сто лет.

Вместо того, чтобы поощрять частный сектор в производстве гелия, распродажа запасов привела к прямо противоположному результату. Газ стал настолько дешевым, что никто не видел ни необходимости, ни выгоды в том, чтобы добывать его самостоятельно. В преддверии 2015 года ученые забили тревогу: если запасы будут распроданы согласно плану, их будет уже не восстановить. Соединенные Штаты, добывающие около 70% всего гелия на планете, остаются мировым лидером по его добыче, а значит, его дефицит в США может стать причиной проблем во всем мире.

В 2013 году был утвержден Закон о стратегическом контроле над гелием, разрешивший продавать его с аукциона до 2021 года, так что цена скоро приблизится к рыночной — после того, как огромная часть запасов разошлась за копейки.

Гелий сегодня

Даже если аукцион постепенно решит проблему с ценами, гелий — невозобновимый ресурс. Ожидается, что запасы истощатся к 2020 году, и даже если этого не произойдет, по нынешним законам хранилище данного газа должно быть закрыто к 2021 году. В то же время, во всем мире отчаянно ищут альтернативные хладагенты, левитаторы и источники гелия.

Геологическая служба США пишет: «К концу десятилетия международные установки по добыче гелия, скорее всего, станут главным его источником для мировых нужд. Такие установки уже созданы в Алжире и Катаре». Китай планирует добывать гелий-3, который сейчас в основном только производится, на Луне.

Многие потребители, глядя на растущие цены, начали искать способы вторичного использования гелия. В зависимости от того, к чему приведут эти усилия, мы, может быть, отсрочим тот день, когда связка воздушных шариков станет такой же безумной роскошью, как серебряные столовые приборы или облицованные слоновой костью клавиши фортепиано.