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Guión de conversación para un operador de coche compartido. Módulos de voz para call center. Esto no es un insulto personal.

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HELIO(Él), elemento monoatómico, pertenece a la familia de los gases nobles, que se encuentran en el grupo cero de la tabla periódica; peso atómico 3,99, densidad relativa al aire 0,137; 1 m 3 de helio químicamente puro a 0° y 760 mm pesa 0,1785 kg (el helio es 7,2 veces más ligero que el aire y 2 veces más pesado que el hidrógeno); la fuerza de elevación de 1 m 3 de helio en las mismas condiciones es 1,114 kg (es decir, el 92,6% de la fuerza de elevación del hidrógeno). El helio es un gas, incoloro e inodoro, completamente inerte químicamente, no arde y no favorece la combustión, no está incluido en ninguno de los compuestos conocidos y no participa en reacciones químicas, es ligeramente soluble en agua, completamente insoluble en benceno y alcohol. El helio es difícil de transformar en estado líquido (el helio líquido fue obtenido por primera vez en 1908 por Kammerlingh Onnes enfriando el helio a una temperatura de –258° con hidrógeno líquido hirviendo a presión reducida); en esta forma, el helio es móvil, incoloro y es el líquido más ligero después del hidrógeno; punto de ebullición –268,75°, temperatura crítica –267,75°, presión crítica 2,3 Atm, la tensión superficial del helio líquido es débil, densidad máxima 0,1459 a una temperatura de –270,6°. La conductividad térmica del helio a 0°, según los experimentos de Schwartz, es 0,0003386. De todos los gases, después del neón, el helio... mejor guía electricidad; su rigidez dieléctrica es 18,3 (para neón 5,6, para aire 419).

La capacidad del helio para difundirse a través de tejidos cauchutados (el caparazón de los globos) es 1,47 veces menor que la del hidrógeno. El helio, utilizado en aeronáutica para llenar dirigibles, hace que volarlos sea seguro en términos de incendio, incluso si se añade hidrógeno al helio en una cantidad del 14% en volumen (según experimentos de la Oficina Estadounidense de Normas en 1918). El helio se descubrió por primera vez en 1868 en la atmósfera solar mientras se estudiaba el espectro durante un eclipse solar observado en la India. Nueva línea brillante amarillo, visto en el espectro y cerca de las líneas D 1 y D 2 del sodio, fue denominado D 3 por Jansen; Frankland y Lockyer descubrieron que pertenecía a un elemento aún desconocido, al que llamaron helio (el sol). En 1888, Hillebrandt descubrió un nuevo gas inerte en los gases liberados por algunos minerales de uranio cuando se calientan, que consideró una variedad alotrópica de nitrógeno; Ramsay en 1895 determinó que esto nuevo elemento- helio, etc. demostró la presencia de helio en la tierra; Al mismo tiempo, el Kaiser estableció la presencia de helio en el aire; luego se encontró en muchos minerales (en su mayoría radiactivos), en los gases de algunos manantiales minerales, minas, volcanes, géiseres y en gases naturales que salían del suelo. La cantidad de helio en el aire atmosférico es insignificante, según los experimentos de Ramsay: 0,00041% en volumen, según experimentos posteriores ~0,0005% (se cree que 1000 m 3 de aire contienen 5 litros de helio) y 0,00007% en peso.

La extracción de helio del aire (normalmente mediante fraccionamiento de aire líquido), por su bajo porcentaje, y también por la dificultad de separar el helio de otros gases, por ejemplo, el neón (hay 3 veces más neón en el aire que helio ), es sólo de naturaleza de laboratorio . En los minerales, el helio se encuentra en estado ocluido, encerrado en pequeños poros del mineral. El helio se extrae de kleveita (de 1 g de kleveita - 7,2 cm 3 de helio), de monacita (2,4 cm 3), fergusonita (2 cm 3), brogerita (1 cm 3), torianita (8-9 cm 3), eshinita (1 cm 3) y otros minerales de uranio y torio; El helio también se encuentra en minerales de potasio, cuarzo, berilo, etc. La cantidad de helio contenida en los minerales radiactivos depende de la edad geológica, de la densidad de la roca y del contenido de uranio o torio en ellos. Los gases de manantiales minerales, liberados de la superficie del agua en forma de burbujas, a veces contienen un porcentaje relativamente grande de helio; según la investigación de Muryo, el contenido de helio en los gases de origen francés alcanza el 10% en volumen (fuente en Santenay); sin embargo, su consumo anual es insignificante (no más de 5 a 10 m 3 de helio por año). Los gases de las minas a veces son ricos en helio, pero su liberación es irregular y normalmente de corta duración. Hasta ahora los gases volcánicos han sido poco estudiados. La extracción de helio mediante los métodos enumerados es de laboratorio. Sólo la extracción de helio de los gases naturales que emergen de las entrañas de la tierra tiene importancia industrial. La investigación sobre gases naturales para obtener helio se lleva a cabo en EE. UU., Francia, Bélgica, Alemania, Italia, Rumania y Austria; sin embargo, la mayoría de las fuentes examinadas aquí, excepto EE. UU., contienen un porcentaje insignificante de helio o tienen un porcentaje anual muy pequeño. de flujo, por lo que el monopolio mundial del helio sigue siendo de EE.UU.

En relación con la URSS, hay muchas razones para creer que la industria del helio puede experimentar un desarrollo significativo debido a la presencia de un gran número de fuentes de gas natural, que sin duda contienen helio, en varias zonas (la región del Volga Medio, el Cáucaso , Kuban, Península de Absheron, etc.).

El uso de helio en aeronáutica, eliminando el peligro de incendio de gas en dirigibles, también permite colocar motores no en góndolas suspendidas, como es habitual, sino dentro del casco, lo que reducirá significativamente la resistencia y, por tanto, aumentará la velocidad del barco. Debido a la difusión más lenta del helio a través de la cubierta que la del hidrógeno, la fuerza de sustentación del dirigible se mantiene mejor. La gran ventaja del helio es la capacidad de limpiar fácilmente el gas ya usado de impurezas contaminantes, lo que se hace pasándolo a través de dispositivos de limpieza especiales. Además de en la aeronáutica, el helio se utiliza (en cantidades relativamente pequeñas) en otros campos de la tecnología, así como en la investigación científica, especialmente para estudiar diversos procesos y propiedades de los cuerpos a temperaturas muy bajas (la evaporación del helio líquido alcanzó una temperatura de –272,1°). Toda una serie de cuestiones de física, química, biología, botánica, cuya solución requiere muy baja temperatura, m.b. clarificado con helio líquido. El helio se utiliza ampliamente para la investigación científica en varios laboratorios. varios paises, especialmente en el Instituto Criogénico de Leiden (Holanda), donde el profesor Kammerling-Onnes realizó varios descubrimientos científicos valiosos utilizando helio; por ejemplo, se ha descubierto que la conductividad eléctrica de algunos metales a temperaturas muy bajas aumenta millones de veces en comparación con la conductividad eléctrica a temperaturas ordinarias. El helio también se utiliza en la industria eléctrica para lámparas incandescentes y otras lámparas con puntas de tungsteno. A medida que se estudia el helio, se abren una serie de nuevas áreas de aplicación.

Extracción de helio de gases naturales.

Depósitos de helio. En 1903, cerca de Dexter, en Kansas (EE.UU.), se descubrió una fisura natural poco profunda que liberaba gas. El gas era casi ignífugo y en este sentido se diferenciaba marcadamente de los gases naturales comunes. G. P. Kedy y D. F. McFarland, a quienes se enviaron muestras de este gas para su análisis, informaron que estaba formado por un 15% de hidrocarburos y un 85% de gas inerte, aparentemente nitrógeno. Un estudio más detallado de esta fracción mostró que, además de nitrógeno, contiene cantidades insignificantes de neón y argón y un 1,84% de helio. Se analizaron los gases emitidos desde otros lugares del sur de Kansas y áreas adyacentes y se encontró que todos contenían grandes cantidades helio Aunque Kedy y McFarland publicaron los resultados de su investigación, la importancia de este mensaje no se apreció adecuadamente hasta el estallido de la guerra de 1914-18. En ese momento, el helio se obtenía exclusivamente de manantiales minerales o de minerales radiactivos. Si bien la quema de gases naturales de Kansas y zonas adyacentes liberó al aire millones de metros cúbicos de helio, la cantidad de este gas que los científicos pudieron tener a su disposición probablemente no superó los 0,25 metros cúbicos. El coste de esta insignificante cantidad de gasolina fue de al menos 15.000 dólares.

En 1915, al enterarse del trabajo de Kedy y McFarland, el gobierno británico asignó fondos para realizar exploraciones de helio en Ontario, el único lugar dentro de las posesiones británicas donde existía gas natural en cantidades significativas, y en 1917, al entrar en la guerra, el gobierno británico Estados Unidos también emprendió un estudio de todas las fuentes de gas adecuadas para la producción industrial de helio para las necesidades de la aeronáutica militar.

Se han encontrado depósitos que contienen gas con 0,25-0,5% de helio en el condado de Vinton, Ohio. Sin embargo, la cantidad de gas que se escapó fue pequeña. Una muestra del pozo de gas Guevres en Montana mostró un contenido de helio del 0,27%. Dado que un gran pozo de gas en Petrolia (norte de Texas) tenía un contenido muy alto de nitrógeno, se emprendieron exploraciones en esta zona. Inmediatamente se confirmó la presencia de depósitos de gas con un contenido de helio tan alto como los de Kansas y el norte de Oklahoma. El depósito, encontrado en el norte de Texas, se extendía desde el norte del condado de Brown hasta la línea fronteriza entre Texas y Oklahoma. El porcentaje de helio variaba considerablemente, y aunque en varios pozos los gases contenían más del 0,25% de helio, sólo en Petrolia el contenido de helio era tan alto que se podía intentar extraerlo. Uno de los análisis arrojó un 1,18% de helio y, en promedio, su contenido superó ligeramente el 0,9%.

En Kansas se han encontrado depósitos con contenidos de helio que oscilan entre el 0,1 (o un poco menos) y casi el 0,2%. Se encontraron cantidades importantes en el pozo Eldorado, en el condado de Betler, donde se encontró que el gas contenía un 1,1% de helio y un 40% de nitrógeno. Otro centro importante es el Pozo Augusta en el mismo condado. Aquí el horizonte a una profundidad de 360-420 m mostraba entre 1,03 y 1,14% de helio. El porcentaje de helio en este horizonte no era indicativo de otros horizontes, y a una profundidad de 460 m era solo del 0,43%. Esta diferencia entre los horizontes individuales se observó en todos los pozos estudiados y explicar este fenómeno es una tarea muy difícil para la ciencia. Los contenidos de helio más altos se encontraron en Dexter y los pozos poco profundos asociados en el condado de Cowley, Kansas. El contenido de helio en esta zona osciló entre 0,9 y 2,0% (aproximadamente). Posteriormente, en 1917-18, se descubrieron muchos yacimientos de petróleo y gas. Algunos de ellos contenían cantidades importantes de helio; uno de ellos, el pozo Nocona cerca de Petrolia, contiene un 1,2% de helio. Durante 1927, se perforaron una serie de pozos cerca de los antiguos depósitos de Dexter, que arrojaron casi el mismo contenido de helio que habían determinado Cady y McFarland veinte años antes. Este campo está siendo desarrollado por la planta privada The Helium С°.

Las adiciones más importantes a los recursos de helio existentes en los Estados Unidos fueron los depósitos en el condado de Panhandle en el suroeste de Texas y el sistema Woodside en la meseta de Utah. El depósito del distrito de Pangendle cubre más de 5.000 km 2 . Se han encontrado pequeñas cantidades de helio en muchos puntos de esta zona, pero actualmente sólo una pequeña parte del área total se considera apta para el desarrollo industrial. Sin embargo, se estima que la cantidad de helio disponible aquí puede sustentar la capacidad de producción mensual de la planta de 60.000 m 3 durante 20 años.

Después de Estados Unidos, los depósitos más prometedores parecen estar en Canadá. Se cree que puede haber un pozo del Formost en la provincia de Alberta. Anualmente se producían 60.000 m3 de helio. Pero el contenido de helio en el gas aquí es sólo del 0,2%. De manera similar, se cree que el pozo Bow Island en la misma provincia es capaz de producir 35.000 m 3 de helio al año a partir de gas con un contenido medio de helio del 0,3%. Los pozos de gas de Ontario tienen el mayor contenido de helio, particularmente en el condado de Peel, donde se descubrió gas que contenía un 0,8% de helio. Pero la producción potencial total aquí es pequeña y podría ser de aproximadamente 6.000 m 3 por año.

Contenido de helio en gases.. El contenido desigual de helio en diferentes horizontes de un mismo pozo ya se ha indicado anteriormente. Asimismo, el contenido de helio en diferentes pozos que reciben su gas en el mismo horizonte en varias partes de un sistema geológico determinado puede presentar grandes fluctuaciones. Algunos autores han sugerido que el contenido de helio de cada pozo disminuye a medida que disminuye la presión ejercida por la roca. En apoyo de esta opinión se remiten a análisis que muestran que el contenido medio de helio del gas Petrolia era del 0,8986% en noviembre de 1926, mientras que en julio de 1925 era del 1,1039%. Pero esa diferencia puede deberse a otras razones, tal vez al establecer comunicación con pozos más pobres. Estas diferencias en el contenido de helio dentro de un mismo pozo, y el hecho de que a menudo los pozos estrechamente asociados con depósitos ricos en helio resultan estar completamente desprovistos de él, hacen muy difícil formular cualquier hipótesis de trabajo sobre el origen y la distribución del helio.

Cady y McFarland concluyeron que el contenido de helio es proporcional a la cantidad de nitrógeno. Esto puede ser cierto, en términos generales, pero existen muchas fuentes de gases con un contenido muy alto de nitrógeno y una ausencia casi total de helio. La suposición de que sólo los gases no inflamables son capaces de producir cantidades más o menos significativas de helio también resultó errónea tras el descubrimiento de helio en el gas Petrolia. Antes del descubrimiento del helio en el sistema Woodside, se suponía que los gases que contienen helio pertenecen exclusivamente a los horizontes de la era Paleozoica, ya que todas las formaciones de la zona central de Ohio y Ontario son precisamente de este origen geológico. El gas de Woodside proviene de un horizonte del Mesozoico temprano que se encuentra directamente sobre rocas del Pérmico (Paleozoico tardío). Los gases de pozos de Montana y algunos de Alberta se encuentran en formaciones del Cretácico. Es interesante observar que los gases de las formaciones del período Terciario son incomparablemente más pobres en helio que los horizontes Paleozoicos.

Según la opinión general, el contenido de helio en los gases naturales no depende de las condiciones de deposición de los residuos materiales de los que se originan los componentes inflamables de estos gases. Todos los científicos coinciden en que el helio debe provenir de fuentes completamente diferentes a las sustancias combustibles, y su origen suele atribuirse a la existencia de un centro radiactivo cerca o debajo de esos horizontes sedimentarios donde se concentra el helio. La conexión de la liberación de helio con aquellas zonas de los estados centrales donde se produjeron enormes descargas de antiguas rocas cristalinas indica la existencia de centros de radiactividad en los lugares de descarga. Pero se necesitará mucha más investigación antes de que podamos llegar a una conclusión final sobre este tema y juzgar otros depósitos probables de helio (ver tabla).

Producción industrial de helio.. Una vez que se estableció la presencia de suficiente helio en Petrolia, se emprendió la construcción de dos plantas experimentales en Fort Worth y luego se inició la construcción de una tercera planta en la propia Petrolia. Esta última planta adoptó el método Jeffries-Norton; Una de las plantas de Fort Worth fue diseñada y administrada por Linde Air Products C°, la otra por Air Reduction C°. Ambas plantas fueron diseñadas para producir unos 200 m 3 de helio al día. Seis semanas después de la puesta en funcionamiento de la planta de Linde, comenzó a producir pequeñas cantidades de helio al 50%; cuatro meses después, la producción diaria de la planta había aumentado a 140 m 3 de 70% de helio; con una mayor purificación, el contenido de helio podría aumentarse al 93%. El proyecto Air Reduction C° se basó en el método de Claude, que utilizaba desde hacía varios años para extraer otros gases. Sin embargo, este método no pudo adaptarse a la producción de helio tan fácilmente como el método de Linde. El método Jeffrey-Norton se basa en los mismos principios que el método Claude y, aunque teóricamente debería ser más productivo que los demás, no dio resultados adecuados debido a una serie de dificultades mecánicas.

La superioridad práctica del método de Linde quedó clara en el otoño de 1918, y luego se desarrolló un proyecto para construir una planta con una capacidad de 1000 m 3 de helio por día. La construcción se inició en 1919 y en 1921 la planta entró en funcionamiento. Al principio la productividad de la planta era baja, pero pequeños cambios en el diseño la aumentaron significativamente y en junio de 1925 la planta alcanzó máximo rendimiento 35000 m 3 de helio. Después de eso, su productividad cayó significativamente debido a la disminución del suministro de gas de Petrolia.

La tarea de obtener helio a partir del gas natural se complica por el hecho de que, además de su inercia química y su punto de ebullición extremadamente bajo, el helio constituye sólo una pequeña fracción de los gases naturales más ricos. Todos los diseños se basan en la eliminación de hidrocarburos y nitrógeno en forma líquida y la producción de helio como gas residual. Dado que esto implica el uso de temperaturas extremadamente bajas, una condición necesaria es la posible eliminación temprana dióxido de carbono para evitar la congelación. El diseño de todas las plantas es generalmente el mismo. La principal diferencia radica en el método de enfriamiento final y licuefacción de los gases. El diseño de Linde se basa en el efecto Joule-Thomson. En este diseño, la baja temperatura requerida se logra expandiendo gases enfriados a alta presión en un evaporador o receptor de baja presión. En el diseño de Claude, la temperatura necesaria para licuar gases distintos del helio, es decir, una temperatura de –200°, se alcanza haciendo pasar parte del gas muy condensado a través de un aparato de expansión. Desde un punto de vista teórico, el proceso de Claude es más productivo que el proceso de Linde. Pero el uso de una máquina de expansión está asociado a dificultades mecánicas, que resultaron insuperables para la planta Air Reduction C°. El proceso Jeffreys-Norton buscaba lograr una mayor eficiencia mediante el uso de tres expansores que operaban a diferentes límites de temperatura. La productividad teórica del método es mayor, pero las dificultades mecánicas son incluso mayores que las del método de Claude.

El método de Linde. En la instalación de prueba y en el primer diseño del sistema de extracción de helio de la planta, el sistema Linde puso en contacto gas natural con agua de cal en depuradores especiales a baja presión para eliminar el dióxido de carbono. Buenos resultados, obtenidos en depuradores con sosa cáustica, utilizados originalmente en el sistema Jeffries-Norton, impulsaron su introducción también en el diseño de Linde. Después de esto pretratamiento el gas ingresa al primer ciclo, o ciclo separador (Fig. 1).

Parte del gas se introduce en compresores de cuatro etapas, sometiéndolo a una presión de hasta 140 atm. El resto del gas pasa a través de la válvula de control hacia la línea de baja presión. Esta tubería, así como la tubería del compresor, pasa al preenfriador, donde los gases se enfrían mediante un ciclo externo de dióxido de carbono, así como mediante los gases que regresan del procesamiento anterior. La temperatura se reduce aún más haciendo pasar ambos tubos a través de un absorbente de calor para encontrar los gases que regresan. Luego ambos tubos pasan a la parte inferior del evaporador o separador, comunicándose con él a través de una serie de boquillas, el gas presión alta Aquí es donde la mezcla se expande y se enfría. El separador está dividido en tres unidades, cada una de las cuales tiene su propia columna de limpieza y condensador en la parte superior y un receptor en la parte inferior. En cada unidad, una determinada parte del gas se libera en forma líquida y el gas restante pasa a la unidad superior. El líquido, al evaporarse, sirve para enfriar la unidad que está encima. Los hidrocarburos, junto con una pequeña mezcla de nitrógeno, se convierten así. nuevamente a estado gaseoso y bajando la temperatura de los gases entrantes que van al separador, salen del separador y son enviados a través de un absorbente de calor y un preenfriador al compresor, donde su presión aumenta al nivel de presión del gas de la red de la ciudad. tubería. El nitrógeno puro se elimina de la parte superior del separador en forma de gas después de haber licuado parte del nitrógeno en la unidad superior. El helio sin purificar, es decir, gas que contiene aproximadamente entre un 35 y un 40 % de helio puro mezclado casi exclusivamente con nitrógeno, sale de la unidad superior hacia un tanque de gas especial y luego ingresa al ciclo de purificación.

En el segundo ciclo, de purificación (Fig. 2), el helio bruto se somete a una presión de 70 atm y se envía a un refrigerador preliminar y un absorbente de calor. En el primero, su temperatura disminuye mediante un ciclo externo de dióxido de carbono y gas que regresa del purificador. En el segundo, el efecto de enfriamiento se logra mediante el retorno de gas junto con serpentines a través de los cuales pasa el helio del purificador. El enfriamiento final y la licuefacción de todos los gases excepto el helio se produce en el purificador, en el que se logra una baja temperatura mediante un ciclo externo de nitrógeno. Este último se obtiene del separador del ciclo anterior. El gas obtenido del purificador contiene entre un 91 y un 92%, e incluso más, helio puro.

Otras formas de producir helio. La principal diferencia entre el proceso Linde y el método utilizado anteriormente en la planta piloto es que en este último la licuefacción se logró mediante el cap. Arr. utilizando un ciclo de enfriamiento externo del sistema Claude. Los principios básicos del sistema utilizado por la planta de Helio C° en Dexter son casi los mismos que los de la planta de Fort Worth. La principal diferencia es la forma en que los líquidos y gases a baja temperatura producidos durante el proceso se utilizan para enfriar los gases recién entrantes. No hay ciclo de enfriamiento externo; El helio se separa de otros gases en el colector. gas licuado; La licuefacción del nitrógeno, así como de los hidrocarburos, aparentemente se produce en los serpentines absorbentes de calor y en las tuberías que conducen al colector. El colector sirve como lugar para la separación de helio de hidrocarburos líquidos y nitrógeno.

Transporte y almacenamiento de helio.. Manejar este gas extremadamente raro no es una tarea sencilla. Hasta hace poco, el helio siempre se transportaba en cilindros de acero con una capacidad de 0,04 m 3, similares a los cilindros que se utilizan para otros gases. El gas estaba bajo una presión de 130-140 atm, de modo que cada cilindro contenía hasta 5,0 m 3 de helio reducido a la presión atmosférica. La capacidad de un simple vagón de mercancías era de 380 cilindros. Actualmente, todo el helio producido por las plantas se transporta en vagones cisterna especiales propiedad del ejército y la marina de Estados Unidos. Estos tanques contienen 42,5 m 3 de gas, es decir aproximadamente tres veces más que antes. El vagón cisterna consta de una plataforma plana de estructura de acero y tres cilindros de acero sin costura. Los cilindros se extienden a lo largo de toda la longitud del automóvil y tienen un diámetro interno de 137 cm como deberían ser. Diseñados para una presión de 140 atm, su estructura debe ser muy pesada y las paredes de acero deben tener un espesor de 75 mm. El contenedor del automóvil pesa aproximadamente 100 toneladas y el costo es de $85 000. El peso del helio por automóvil es de aproximadamente 1 tonelada. El alto costo y el peso excesivo de estos automóviles llevaron a Chicago Bridge and Iron Works a considerar la construcción de un automóvil más liviano. El automóvil diseñado constará de 48 cilindros de acero sin costura con diámetro interno 35 mm y una longitud igual a la longitud del coche. Su capacidad será la misma que la de un tres cilindros. Sin embargo, hasta el momento no se han asignado fondos para la construcción de estos vehículos. La fuga de gas de los cilindros es del 10% anual. Dado que se produce exclusivamente a través de válvulas, es muy recomendable utilizar cilindros de gran tamaño.

Repurificación de helio. Se considera que la fuerza de elevación del helio es igual al 92% de la fuerza de elevación del hidrógeno, pero esto sólo es válido para el helio completamente puro. Por ejemplo, el helio obtenido en Fort Worth sólo pudo utilizarse con dificultad para el dirigible Shenandoah, diseñado para transportar hidrógeno. Cuando el contenido de helio alcanza el 85% debido a la difusión, es necesaria una nueva purificación.

Los estudios experimentales realizados en el Laboratorio Criogénico de la Oficina de Minas de EE. UU. han demostrado que carbón activado a bajas temperaturas es capaz de adsorber casi todos los gases contenidos en el helio impuro. Para esta purificación de helio, la Oficina construyó un pequeño dispositivo móvil para el ejército. Sin embargo, el costo de limpieza fue demasiado alto debido a la inconsistencia de las "ollas de carbón" utilizadas en esta operación, y este método no se utilizó. Por ello, se instaló una unidad de limpieza permanente en Lakehurst (Nueva Jersey). El método utilizado aquí coincide básicamente con los principios del ciclo de limpieza del sistema Linde de Fort Worth. El gas impuro se introduce en un depurador, donde se libera del dióxido de carbono. De aquí pasa al compresor, donde la presión se lleva a 140 atm. Luego, el gas pasa a través de un banco de recipientes de secado llenos de gel de silicato para eliminar la humedad. Desde aquí, el gas se transfiere a un absorbente de calor, donde se enfría con helio puro y se almacena. Desde el absorbente, el gas ingresa al purificador primario, donde se enfría aún más y donde algunas de las impurezas se condensan. La licuación final se produce en el serpentín y el colector del limpiador secundario. Este último está rodeado de aire líquido en forma de gotitas, que se forma en el ciclo externo del sistema Claude. Las impurezas condensadas que se acumulan en el fondo del colector también ayudan al aire líquido a enfriar la unidad. Tras esta purificación, el gas suele alcanzar una pureza del 98%.

Costo y aplicación del helio.. Hasta la fecha se ha producido en EE.UU. un total de aproximadamente 1 millón de m3 de helio. El costo de la producción de helio cuando comenzó la producción industrial en Fort Worth era de aproximadamente 23,6 dólares por 100 m 3 . Disminuyó gradualmente y alcanzó los 15,7 dólares en 1924. Dado que el precio del hidrógeno es de 1 dólar por 100 m 3, el hidrógeno seguirá utilizándose en los dirigibles durante algún tiempo. Sin embargo, hay que tener en cuenta que exponer el hidrógeno nueva limpieza no hay ningún cálculo y, por lo tanto, se necesitan cantidades muy grandes de hidrógeno para abastecer el dirigible durante un año. La repurificación de helio en Leggerst cuesta sólo entre 0,4 y 0,6 dólares por 100 m 3. Si se vuelve a purificar el helio según sea necesario, entonces, como lo demuestra la experiencia, para el funcionamiento de una aeronave se requiere anualmente el doble de helio en comparación con su capacidad; por ejemplo, para el funcionamiento del dirigible de Los Ángeles, con una capacidad de 70.000 m 3, se necesitan 140.000 m 3 de helio al año. La construcción de dirigibles más potentes, prevista por el Congreso de los Estados Unidos, aumentará en consecuencia la necesidad de helio.

I.
La naturaleza inusual del helio ya era evidente en la historia misma de su descubrimiento. Como se sabe, este elemento fue descubierto por primera vez en 1868, no en la Tierra, sino en el Sol, más precisamente, en el espectro de la corona solar. Por supuesto, nadie había observado el helio con sus propios ojos y sospechaban que nadie podría observarlo jamás: no había helio en la Tierra. Se suponía que la ciencia había encontrado la protomateria a partir de la cual se construyen las estrellas. Posteriormente resultó que esto no es del todo cierto, aunque el helio también estaba presente en el material de construcción de las estrellas.
Pero en 1895 aparecieron uno tras otro dos artículos con el mismo título en la revista inglesa Nature: “Earthly Helium”. El autor de uno de ellos fue el famoso experimentador V. Ramsay, que en ese momento había descubierto el elemento químico argón, el otro fue V. Crookes, famoso por sus estudios de los rayos catódicos. El helio, hasta ahora observado sólo en el espectro solar, fue descubierto durante el análisis del mineral kleveita, completamente terrestre. Pronto se encontró en varios otros minerales que contenían, como kleveita, uranio y torio.
Pero no se encontró helio en la atmósfera, o mejor dicho, esto sucedió mucho más tarde. Esta circunstancia, sin embargo, no sorprendió particularmente a nadie: se creía que, debido a su volatilidad, el helio, como el hidrógeno libre, hacía tiempo que se había convertido en espacio mundial.
El descubrimiento del helio terrestre agudizó el interés por el problema del origen de los elementos químicos. Roger Bacon ya intuyó que se basan en algún tipo de materia primordial y que “cada elemento adquiere la naturaleza de otro elemento”. El más simple de ellos, por supuesto, debería considerarse hidrógeno. Pero en la cadena de transformaciones radiactivas, no fue el hidrógeno el que apareció persistentemente, sino el helio. ¿Por qué? ¿Quizás la “materia primordial” no sea el hidrógeno o el helio, sino algún otro elemento que aún no se ha encontrado en nuestro planeta?
El helio se descubrió no sólo en la corona solar y en la Tierra, sino también en los espectros de otras estrellas. Además, resultó que en términos de abundancia en la materia estelar, así como en el Universo en general, el helio ocupa el segundo lugar después del hidrógeno.
Pero en nuestro planeta de hierro y silicio, el contenido relativo de helio resultó ser decenas de miles de millones de veces menor que en el Universo. No existe ninguna zona en la Tierra de la que se pueda decir que sea rica en helio. Y, sin embargo, este elemento está presente en todas partes: en la atmósfera, en el océano y en la corteza terrestre, en los gases subterráneos, en el agua y en el petróleo. Está esparcido por todo el planeta.
En los años treinta se descubrieron los isótopos de helio. Con el tiempo, surgió un patrón interesante: en las regiones internas de los meteoritos, en la composición del polvo cósmico y del suelo lunar, se observó una asombrosa proporción constante de helio-3 y helio-4: 3 * 10-4, es decir, para En diez mil átomos de helio-4 había un promedio de tres de sus isótopos ligeros. A la naturaleza terrestre realmente no le gustaba el isótopo ligero del helio. Si en general hay poco helio en las muestras terrestres, entonces el helio-3 es, por decirlo suavemente, insignificante: el isótopo ligero representa en promedio una diezmillonésima parte del helio natural.
Y lo que parecía más extraño no era ni siquiera el bajísimo contenido de helio-3 en la materia terrestre, sino las inusuales variaciones en la composición isotópica. Surgió la pregunta: ¿tiene la abundancia de helio-3 algo que ver con el problema del origen del helio en la Tierra? Ahora se ha llamado la atención de los científicos sobre la abundancia de isótopos estables de helio en la naturaleza. Comenzó la segunda era del helio.
En primer lugar: ¿de dónde procede el helio en la Tierra? Se supuso que había tres fuentes posibles.
El primero de ellos es el helio primario, o primordial, que formaba parte de la sustancia del planeta hace 4.500 millones de años y que, aparentemente, el planeta ya ha perdido.
Se consideraba que la segunda fuente de helio en la Tierra era el helio radiogénico, que surge como producto de reacciones nucleares naturales. La proporción de isótopos característica del helio radiogénico suele oscilar entre 10-5 y 10-10, dependiendo de la composición de la materia circundante.
Y por último, el helio es de origen cosmogénico, que aparece como resultado de la interacción de la fuerte radiación cósmica con la materia de la Tierra. Además, ingresa a la atmósfera superior junto con meteoritos y polvo cósmico.
Ni siquiera hablaron de la observación del helio primordial en la Tierra: se creía que simplemente no quedaba nada en la Tierra. De hecho, las mediciones de la proporción isotópica del helio en la corteza terrestre testificaron persistentemente a favor de su origen radiogénico, y por tanto secundario. Sin embargo, estaban sucediendo cosas extrañas en la atmósfera de nuestro planeta. La proporción isotópica del helio era aproximadamente cien veces mayor que la del helio observada en la corteza terrestre. Se sabe que el helio que ingresa a la atmósfera sólo puede moverse en una dirección: hacia el espacio exterior. ¿Helio-3? Todas las fuentes imaginables del isótopo ligero juntas no podrían explicar este hecho.
En un momento, el académico V.I. Vernadsky hizo la pregunta: “¿Por qué hay tan poco helio en la Tierra? ¿A dónde fue? Estamos aquí, en el estudio de la corteza terrestre, ante misterios de una escala más general." Ahora bien, lo que nos debería sorprender no es que haya poco helio en la Tierra, sino que haya demasiado isótopo ligero en la atmósfera.

2.
El lector probablemente haya adivinado que tan pronto como se plantean los problemas, también se describen algunas formas de resolverlos. Pero antes de pasar a las “adivinanzas”, me gustaría hacer una pequeña digresión.
Como regla general, el uso de métodos de investigación fundamentalmente nuevos, que amplían nuestros horizontes en el conocimiento de la naturaleza, conduce inevitablemente a descubrimientos.
Entre los métodos para estudiar las propiedades de la materia, un lugar especial lo ocupa la espectrometría de masas: la separación de partículas cargadas por masa mediante campos eléctricos y magnéticos. La idea de la espectrometría de masas se ha desarrollado ampliamente con el tiempo. En muchos laboratorios de todo el mundo han aparecido espectrómetros de masas “de diseño propio”. Resultó que muchos elementos químicos están compuestos por una mezcla de isótopos. disgusto y desconcierto de los investigadores, uno de ellos es durante muchos años no incluía helio.
En muchas muestras, como ya se mencionó, el helio-3 estaba contenido en cantidades mucho menores que el helio-4. Esto significa que se necesitaban dispositivos con alta sensibilidad. Otra dificultad es que todas las muestras de helio inevitablemente contenían iones y moléculas similares en comportamiento en un campo electromagnético a los iones de helio-3. ¿Cómo deshacerse de este fondo?
Para romper la cadena de dificultades, fue necesario buscar nuevos métodos para separar isótopos. Una de las soluciones exitosas fue propuesta por científicos del Instituto de Física y Tecnología de Leningrado que lleva el nombre de A.F. Ioffe de la Academia de Ciencias de la URSS.
Los trabajos para crear una nueva técnica espectrométrica de masas comenzaron en el laboratorio del profesor N. I. Ionov hace aproximadamente un cuarto de siglo. Y los primeros dispositivos creados dentro de los muros del instituto todavía funcionan en la industria. Pero el dispositivo que vamos a comentar, destinado a revolucionar la isotopía del helio natural, existía hasta hace poco en un solo ejemplar de laboratorio.
Los científicos intentaron separar los isótopos no sólo por sus diferentes desviaciones en un campo magnético, como se hacía en los espectrómetros de masas estáticos, sino también por sus diferentes tiempos de vuelo. Para ello bastaba con aplicar un campo eléctrico de alta frecuencia. Y las primeras mediciones realizadas con el MRMS, un espectrómetro de masas por resonancia magnética, atrajeron la atención de los especialistas. Resultó que la calidad del dispositivo era tan alta que le permitió detectar la presencia de una milmillonésima parte de un isótopo ligero en muestras de helio.
Pero el helio resultó ser un objeto muy caprichoso y difícil de medir. Y no porque en las muestras destinadas a la investigación hubiera muy poco helio-3, sino porque en el aire atmosférico que nos rodea a veces había cientos y miles de veces más helio. ¡Y si incluso el uno por ciento del aire atmosférico entrara en la muestra, los resultados de la medición se distorsionarían en cientos de por ciento!
Fue necesario excluir resueltamente la entrada de aire atmosférico en la muestra tanto durante su recogida como, lo que es muy difícil, durante el proceso de sellado del recipiente. Las muestras minerales de las que se extrajo el helio fueron trituradas previamente y calentadas a una temperatura de 1.300 grados centígrados sin contacto con la atmósfera. Y tuvimos que trabajar con cantidades cada vez más pequeñas de este gas: después de todo, el helio constituía centésimas y milésimas de porcentaje del peso total de la sustancia en estudio.
Al crear MRMS, los científicos de Leningrado encontraron otra propiedad inesperada del helio, que se llamó "efecto memoria". Por perfecto que fuera el sellado del dispositivo y por muy bueno que fuera el vacío que se pudiera crear, después del bombeo apareció una cantidad notable de helio en la cámara del espectrómetro de masas. ¿De dónde vino? Resultó que el helio, que apareció repentinamente en el dispositivo, en un momento penetró por difusión en los elementos estructurales y ahora se liberó cuando se redujo la presión. También había que abordar este efecto: el helio residual podía competir libremente con el helio destinado a la investigación. Y esto podría complicar cualquier análisis, pero el efecto memoria interfería especialmente en el estudio de muestras únicas, como el suelo lunar o el polvo cósmico.

3.
Cuando se superaron todas estas dificultades, la nueva tecnología espectrométrica de masas abrió nuevas posibilidades. Y esto afectó sobre todo a la isotopía del helio.
Durante la última década y media, los científicos de Leningrado han llevado a cabo varios miles de análisis de la proporción de isótopos de helio en una amplia variedad de muestras naturales. Los objetos de investigación fueron rocas, minerales, gases volcánicos y naturales, agua y petróleo, tomados literalmente de todo el mundo. Poco a poco, surgió una imagen de la distribución de los isótopos de helio en la materia terrestre.
En primer lugar, se pudo descubrir la siguiente relación: la composición isotópica del helio en la Tierra no es constante, está determinada por la historia geológica de la región de donde se tomaron las muestras; Por ejemplo, las proporciones de isótopos más altas (10) se observaron en áreas directamente conectadas con el manto terrestre, donde la actividad volcánica es intensa, donde hay fallas y grietas en la corteza terrestre y donde flujos profundos de materia pueden llegar a la superficie.
En zonas estables de la corteza terrestre, donde la actividad tectónica había terminado hacía tiempo, la proporción de isótopos era casi mil veces menor: 2. 10-8. Las áreas que ocupan una posición intermedia en la actividad geológica también se caracterizan por una proporción de isótopos intermedia: 10-6 - 10-7.
Pero en la atmósfera, la proporción de isótopos de helio comienza a aumentar nuevamente, alcanzando un valor de aproximadamente 10-6. Y finalmente, más allá de sus límites, en el espacio circunsolar, la proporción de isótopos de helio resulta bastante alta y constante, alcanzando una especie de constante de la naturaleza: 3. 10-4.
El siguiente problema del helio podría formularse de la siguiente manera: ¿por qué hay cientos y miles de veces más helio-3 en los gases volcánicos que aparecen en la superficie de cualquier región de la Tierra que en muestras de la corteza terrestre? Dado que los gases volcánicos son mensajeros naturales del manto terrestre, resultó que había un exceso de helio en el manto. Pero con una advertencia: este helio del manto (incluido el helio-3) no podría ser de origen puramente radiogénico. Los cálculos mostraron que ni las transformaciones nucleares de los elementos ni la entrada de rayos cósmicos en la corteza terrestre podían explicar la cantidad de helio-3 observada en los gases del manto.
Sólo quedaba una suposición: el helio que se libera sobre la superficie de la Tierra junto con los gases volcánicos es una mezcla de helio radiogénico y primario. Esto significó que el helio capturado por la Tierra durante su formación se conservó en las entrañas de la Tierra. Al parecer, hace unos 4.500 millones de años, la proporción de isótopos de helio en la joven Tierra se acercaba a la constante cósmica. Pero los elementos pesados del manto, debido a la desintegración radiactiva, aumentaron la proporción de helio-4, y la desgasificación del subsuelo redujo principalmente la cantidad del isótopo ligero debido a su mayor volatilidad. Por cierto, en el manto terrestre no sólo se conserva el helio primario, sino también otros gases.
A finales de 1981, el descubrimiento de helio solar primordial en el manto terrestre fue inscrito como descubrimiento en el Registro Estatal de la URSS. “La esencia de nuestro descubrimiento”, dijo uno de sus autores, el profesor B. A. Mamyrin, “es que hemos descubierto una nueva característica de la estructura de nuestro planeta. Todo el mundo sabe que el globo tiene una estructura en capas: una corteza delgada (de 10 a 70 kilómetros) en la parte superior, luego un manto de unos 3 mil kilómetros de espesor, con un núcleo pesado en el interior. Hemos descubierto que el helio con el que están “impregnadas” las rocas de la corteza y el manto terrestres tiene una composición isotópica marcadamente diferente. En el helio del manto, la proporción He3D1e4 es mil veces mayor que en el helio de la corteza terrestre. Se trata de un fenómeno natural poco común, ya que los cambios en la proporción de isótopos de varios elementos de la Tierra no suelen superar un pequeño porcentaje”.
Y ahora las pistas prometidas.
Por tanto, la idea de la pérdida total de helio primario de la Tierra no ha sido confirmada. Pero ¿cómo se garantizó la seguridad del gas más ligero del planeta? Resultó que el helio primario podría sobrevivir hasta el día de hoy solo en un caso: la temperatura máxima de la Tierra durante su formación no superó los 500-700 grados Celsius. En otras palabras, nuestro planeta nunca estuvo en estado fundido, de lo contrario el helio primordial podría evaporarse. Por tanto, el problema del helio, y del helio-3 en particular, debe tenerse en cuenta a la hora de hablar de la historia de la formación de los planetas del Sistema Solar.
El camino posterior del helio pasa por la atmósfera. Y resultó que era el manto, con su alta concentración del isótopo ligero de helio, el que suministraba ese mismo helio-3, cuyo contenido en el aire no podía explicarse.
El mismo hecho de la conservación del helio primario en el manto ha aportado mucho al estudio del planeta. A través de fallas profundas en la corteza terrestre, a través de volcanes submarinos y continentales, se produce una liberación constante de helio a la superficie: parece brillar, como un rayo X, la corteza terrestre desde el interior. Y la sustancia que migra desde el manto a la superficie siempre está marcada con helio-3. Pero en la corteza terrestre predomina el helio radiogénico, el trazador isotópico se disuelve y la proporción isotópica disminuye gradualmente. Por supuesto, este es un proceso muy, muy lento. Sólo mil millones de años después del fin de la actividad geológica de la región, se establecerá en las rocas la proporción de isótopos característica del helio radiogénico.
El problema del helio primordial nos remonta a aquellos tiempos lejanos de nuestro siglo, cuando, según los científicos, el Universo era materia superdensa y supercaliente. Entonces comenzó la expansión, o como la llaman los científicos. Gran explosión. Por qué sucedió esto, la ciencia moderna no puede responder. Pero resultó posible restablecer el curso esperado de los acontecimientos.
En las primeras etapas de la evolución, el Universo estaba lleno de partículas elementales. A medida que se enfrió, se formaron núcleos de deuterio, helio-3 y helio-4. Sólo después de un millón de años el Universo se enfrió lo suficiente como para que los electrones pudieran unirse a los núcleos atómicos y se formaran los primeros átomos. En ese momento, nuestro Universo era solo hidrógeno-helio. Los elementos químicos restantes no tuvieron tiempo de nacer. Surgieron más tarde, miles de millones de años después, en el proceso de evolución estelar. La materia primordial del Universo contenía aproximadamente un 70 por ciento de hidrógeno y un 30 por ciento de helio, y aproximadamente una diezmilésima parte de este helio era helio-3.
Quizás, además de la radiación relicta, se haya encontrado otro testigo de los primeros momentos del Universo: el helio con una proporción de isótopos característica. No en vano, parafraseando la famosa afirmación de Arquímedes, los físicos dicen: "Dadnos hidrógeno y helio y construiremos el Universo".

A. Assovskaya, Candidata de Ciencias Físicas y Matemáticas

El helio es un gas verdaderamente noble. Hasta el momento no ha sido posible obligarle a reaccionar. La molécula de helio es monoatómica.

En términos de ligereza, este gas ocupa el segundo lugar después del hidrógeno y el aire es 7,25 veces más pesado que el helio.

El helio es casi insoluble en agua y otros líquidos. Y de la misma manera, ni una sola sustancia se disuelve notablemente en el helio líquido.

No se puede obtener helio sólido a ninguna temperatura a menos que se aumente la presión.

En la historia del descubrimiento, investigación y aplicación de este elemento se pueden encontrar los nombres de muchos físicos y químicos destacados. diferentes paises. Se interesaron por el helio y trabajaron con helio: Jansen (Francia), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (Inglaterra), Palmieri (Italia), Keesom, Kamerlingh Onnes (Holanda), Feynman, Onsager (EE.UU.), Kapitsa, Kikoin, Landau (Unión Soviética) y muchos otros científicos destacados.

La apariencia única del átomo de helio está determinada por la combinación de dos estructuras naturales sorprendentes, campeones absolutos en compacidad y resistencia. En el núcleo de helio, helio-4, ambas capas intranucleares están saturadas, tanto de protones como de neutrones. El doblete electrónico que enmarca este núcleo también está saturado. Estos diseños contienen la clave para comprender las propiedades del helio. Ésta es la fuente de su fenomenal inercia química y del tamaño récord de su átomo.

El papel del núcleo del átomo de helio, la partícula alfa, es enorme en la historia de la formación y desarrollo de la física nuclear. Si recuerdas, fue el estudio de la dispersión de partículas alfa lo que llevó a Rutherford al descubrimiento del núcleo atómico. Al bombardear nitrógeno con partículas alfa se logró por primera vez la interconversión de elementos, algo con lo que muchas generaciones de alquimistas habían soñado durante siglos. Es cierto que en esta reacción no fue el mercurio el que se convirtió en oro, sino el nitrógeno en oxígeno, pero esto es casi igual de difícil de hacer. Las mismas partículas alfa participaron en el descubrimiento del neutrón y en la producción del primer isótopo artificial. Posteriormente, se sintetizaron curio, berkelio, californio y mendelevio utilizando partículas alfa.

Hemos enumerado estos hechos con un solo propósito: mostrar que el elemento número 2 es un elemento muy inusual.

helio terrestre

El helio es un elemento inusual y su historia es inusual. Fue descubierto en la atmósfera solar 13 años antes que en la Tierra. Más precisamente, se descubrió una línea D de color amarillo brillante en el espectro de la corona solar, y lo que se escondía detrás de ella se conoció de manera confiable solo después de que se extrajo el helio de minerales terrestres que contienen elementos radiactivos.

El helio en el Sol fue descubierto por el francés J. Jansen, quien realizó sus observaciones en la India el 19 de agosto de 1868, y el inglés J.H. Lockyer - 20 de octubre del mismo año. Las cartas de ambos científicos llegaron a París el mismo día y fueron leídas en una reunión de la Academia de Ciencias de París el 26 de octubre, con un intervalo de varios minutos. Los académicos, asombrados por tan extraña coincidencia, decidieron sacar una medalla de oro en honor a este evento.

En 1881, el científico italiano Palmieri informó del descubrimiento de helio en gases volcánicos. Sin embargo, pocos científicos tomaron en serio su mensaje, confirmado más tarde. Ramsay descubrió nuevamente el helio terrestre en 1895.

En la corteza terrestre hay 29 isótopos, cuya desintegración radiactiva produce partículas alfa, núcleos de átomos de helio muy activos y de alta energía.

Básicamente, el helio terrestre se forma durante la desintegración radiactiva del uranio-238, uranio-235, torio y productos inestables de su desintegración. La lenta desintegración del samario-147 y del bismuto produce cantidades incomparablemente menores de helio. Todos estos elementos generan sólo el isótopo pesado del helio, 4 He, cuyos átomos pueden considerarse como restos de partículas alfa enterradas en una capa de dos electrones pares, en un doblete electrónico. En los primeros períodos geológicos probablemente existieron otras series de elementos naturalmente radiactivos que ya habían desaparecido de la faz de la Tierra, saturando el planeta con helio. Uno de ellos fue la serie de neptunio, ahora recreada artificialmente.

Por la cantidad de helio encerrado en una roca o mineral, se puede juzgar su edad absoluta. Estas mediciones se basan en las leyes de la desintegración radiactiva: por ejemplo, la mitad del uranio-238 se convierte en helio y plomo en 4,52 mil millones de años.

El helio se acumula lentamente en la corteza terrestre. Una tonelada de granito que contiene 2 g de uranio y 10 g de torio produce sólo 0,09 mg de helio en un millón de años: medio centímetro cúbico. Los muy pocos minerales ricos en uranio y torio tienen contenidos de helio bastante elevados: varios centímetros cúbicos de helio por gramo. Sin embargo, la proporción de estos minerales en la producción natural de helio es cercana a cero, ya que son muy raros.

Los compuestos naturales que contienen isótopos alfa activos son sólo una fuente primaria, pero no una materia prima para la producción industrial de helio. Es cierto que algunos minerales con una estructura densa (metales nativos, magnetita, granate, apatita, circón y otros) retienen firmemente el helio que contienen. Sin embargo, con el tiempo, la mayoría de los minerales sufren procesos de meteorización, recristalización, etc., y el helio los abandona.

Las burbujas de helio liberadas de estructuras cristalinas emprenden un viaje a través de la corteza terrestre. Una parte muy pequeña de ellos se disuelve en las aguas subterráneas. Para formar soluciones de helio más o menos concentradas se necesitan condiciones especiales, principalmente presiones elevadas. Otra parte del helio errante escapa a la atmósfera a través de los poros y grietas de los minerales. Las moléculas de gas restantes caen en trampas subterráneas, donde se acumulan durante decenas o cientos de millones de años. Las trampas son capas de rocas sueltas cuyos huecos están llenos de gas. El lecho de estos yacimientos de gas suele ser agua y petróleo, y en la parte superior están cubiertos por estratos de rocas densas impermeables al gas.

Dado que otros gases (principalmente metano, nitrógeno, dióxido de carbono) también viajan por la corteza terrestre y en cantidades mucho mayores, no existen acumulaciones de helio puro. El helio está presente en los gases naturales como una impureza menor. Su contenido no supera las milésimas, centésimas y rara vez décimas de porcentaje. Un gran contenido de helio (1,5...10%) en los depósitos de metano-nitrógeno es un fenómeno extremadamente raro.

Los gases naturales resultaron ser prácticamente la única fuente de materias primas para la producción industrial de helio. Para separarlo de otros gases se utiliza la excepcional volatilidad del helio, asociada a su baja temperatura de licuefacción. Después de que todos los demás componentes del gas natural se hayan condensado durante el enfriamiento profundo, se bombea el gas helio. Luego se limpia de impurezas. La pureza del helio de fábrica alcanza el 99,995%.

Las reservas de helio en la Tierra se estiman en 5,10 14 m 3 ; A juzgar por los cálculos, en la corteza terrestre se formó decenas de veces más en el transcurso de 2 mil millones de años. Esta discrepancia entre teoría y práctica es bastante comprensible. El helio es un gas ligero y, al igual que el hidrógeno (aunque más lento), no escapa de la atmósfera al espacio exterior. Probablemente, durante la existencia de la Tierra, el helio de nuestro planeta se renovó repetidamente: el viejo se evaporó en el espacio y, en lugar de él, entró en la atmósfera helio fresco, "exhalado" por la Tierra.

En la litosfera hay al menos 200 mil veces más helio que en la atmósfera; Aún más helio potencial se almacena en el "útero" de la Tierra, en elementos alfa activos. Pero el contenido total de este elemento en la Tierra y la atmósfera es pequeño. El helio es un gas raro y difuso. Por 1 kg de material terrestre hay sólo 0,003 mg de helio y su contenido en el aire es del 0,00052 por ciento en volumen. Una concentración tan baja todavía no permite una extracción económica de helio del aire.

Helio en el universo

El interior y la atmósfera de nuestro planeta son pobres en helio. Pero esto no significa que haya poco en todo el Universo. Según estimaciones modernas, el 76% de la masa cósmica es hidrógeno y el 23% helio; ¡Solo queda el 1% para todos los demás elementos! Por tanto, la materia del mundo puede denominarse hidrógeno-helio. Estos dos elementos predominan en las estrellas, las nebulosas planetarias y el gas interestelar.

Arroz. 1. Curvas de abundancia de elementos en la Tierra (arriba) y en el espacio.
La curva "cósmica" refleja el papel excepcional del hidrógeno y el helio en el universo y la especial importancia del grupo del helio en la estructura del núcleo atómico. La mayor abundancia relativa son aquellos elementos y aquellos isótopos cuyo número másico se divide en cuatro: 16 O, 20 Ne, 24 Mg, etc.

Probablemente, todos los planetas del sistema solar contienen helio radiogénico (formado durante la desintegración alfa), y los grandes también contienen helio relicto del espacio. El helio está presente en abundancia en la atmósfera de Júpiter: según algunos datos es del 33%, según otros, del 17%. Este descubrimiento formó la base de la trama de una de las historias del famoso científico y escritor de ciencia ficción A. Azimov. En el centro de la historia se encuentra un plan (posiblemente factible en el futuro) para entregar helio desde Júpiter, e incluso entregar una armada de máquinas cibernéticas en criotrones al satélite más cercano de este planeta: Júpiter V (más sobre ellos abajo). Inmerso en el helio líquido de la atmósfera de Júpiter (temperaturas ultrabajas y superconductividad - condiciones necesarias para el funcionamiento de criotrones), estas máquinas convertirán a Júpiter V en el centro cerebral del sistema solar...

El origen del helio estelar fue explicado en 1938 por los físicos alemanes Bethe y Weizsäcker. Posteriormente, su teoría recibió confirmación y perfeccionamiento experimental con la ayuda de aceleradores de partículas. Su esencia es la siguiente.

Los núcleos de helio se fusionan a temperaturas estelares a partir de protones en procesos de fusión que liberan 175 millones de kilovatios-hora de energía por cada kilogramo de helio.

Diferentes ciclos de reacción pueden conducir a la síntesis de helio.

En condiciones de estrellas no muy calientes, como nuestro Sol, aparentemente predomina el ciclo protón-protón. Consta de tres transformaciones que cambian sucesivamente. En primer lugar, dos protones se combinan a velocidades enormes para formar un deuterón, una estructura formada por un protón y un neutrón; en este caso, el positrón y el neutrino están separados. A continuación, el deuterón y el protón se combinan para formar helio ligero con la emisión de un cuanto gamma. Finalmente, dos núcleos de 3 He reaccionan transformándose en una partícula alfa y dos protones. Una partícula alfa, que ha adquirido dos electrones, se convertirá en un átomo de helio.

Mismo resultado final proporciona un ciclo carbono-nitrógeno más rápido, cuya importancia en condiciones solares no es muy grande, pero en estrellas más calientes que el Sol, el papel de este ciclo aumenta. Consta de seis pasos: reacciones. El carbono desempeña aquí el papel de catalizador del proceso de fusión de protones. La energía liberada durante estas transformaciones es la misma que durante el ciclo protón-protón: 26,7 MeV por átomo de helio.

La reacción de síntesis de helio es la base de la actividad energética de las estrellas y de su brillo. En consecuencia, la síntesis de helio puede considerarse la precursora de todas las reacciones de la naturaleza, la causa fundamental de la vida, la luz, el calor y los fenómenos meteorológicos en la Tierra.

El helio no siempre ocurre el producto final síntesis estelares. Según la teoría del profesor D.A. Frank-Kamenetsky, con la fusión secuencial de núcleos de helio, se forman 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, y la captura de protones por estos núcleos conduce a la formación de otros núcleos. La síntesis de núcleos desde elementos pesados hasta elementos transuránicos requiere temperaturas extremadamente altas excepcionales, que se desarrollan en estrellas inestables como “novas” y “supernovas”.

El famoso químico soviético A.F. Kapustinsky llamó protoelementos al hidrógeno y al helio, elementos de la materia primaria. ¿No es esta primacía la que oculta la explicación de la posición especial del hidrógeno y el helio en la tabla periódica de los elementos, en particular el hecho de que el primer período carece esencialmente de la periodicidad característica de los demás períodos?

Inerte, pero muy necesario

A finales del siglo pasado, la revista inglesa Punch publicó una caricatura en la que se representaba a Helio como un hombrecito astutamente que guiñaba un ojo, un habitante del sol. El texto debajo de la imagen decía: “¡Finalmente fui atrapado en la Tierra! ¡Esto duró bastante! ¿Me pregunto cuánto tiempo pasará hasta que descubran qué hacer conmigo?

De hecho, pasaron 34 años desde el descubrimiento del helio terrestre (el primer informe sobre este tema se publicó en 1881) antes de que encontrara un uso práctico. Un rol definido físico y técnico original, eléctrico y, en menor medida, jugó un papel aquí propiedades quimicas helio, que requirió un largo estudio. Los principales obstáculos fueron la distracción y el elevado coste del elemento nº 2.

Los alemanes fueron los primeros en utilizar helio. En 1915, comenzaron a llenar con él los dirigibles que bombardearon Londres. Pronto, el helio, ligero pero no inflamable, se convirtió en un relleno indispensable para los vehículos aeronáuticos. El declive en la construcción de dirigibles que comenzó a mediados de los años 30 provocó cierta disminución en la producción de helio, pero sólo por un corto tiempo. Este gas atrajo cada vez más la atención de químicos, metalúrgicos e ingenieros mecánicos.

Muchos procesos y operaciones tecnológicos no se pueden realizar en el aire. Para evitar la interacción de la sustancia resultante (o materia prima) con los gases del aire, se crean entornos protectores especiales; y no hay gas más adecuado para estos fines que el helio.

Helio inerte, ligero, móvil y bien conductor del calor. remedio ideal para prensar líquidos y polvos altamente inflamables de un recipiente a otro; Son estas funciones las que realiza en misiles y misiles guiados. Las distintas etapas de la producción de combustible nuclear se llevan a cabo en un entorno protector de helio. Los elementos combustibles de los reactores nucleares se almacenan y transportan en contenedores llenos de helio.

Con la ayuda de detectores de fugas especiales, cuya acción se basa en la excepcional capacidad de difusión del helio, identifican la más mínima posibilidad de fuga en reactores nucleares y otros sistemas bajo presión o vacío.

Los últimos años se han caracterizado por un nuevo aumento en la construcción de dirigibles, ahora sobre una base científica y técnica más elevada. En varios países se han construido y se están construyendo dirigibles llenos de helio con una capacidad de carga de 100 a 3000 toneladas. Son económicos, confiables y convenientes para transportar cargas de gran tamaño, como gasoductos, refinerías de petróleo y energía. soportes de línea, etc. El relleno de 85% de helio y 15% de hidrógeno es ignífugo y solo reduce la sustentación en un 7% en comparación con un relleno de hidrógeno.

Han comenzado a funcionar reactores nucleares de alta temperatura de un nuevo tipo, en los que el helio sirve como refrigerante.

EN investigación científica y el helio líquido se utiliza ampliamente en tecnología. Las temperaturas ultrabajas favorecen un conocimiento profundo de la materia y su estructura; a temperaturas más altas, los detalles sutiles de los espectros de energía quedan enmascarados por el movimiento térmico de los átomos.

Ya existen solenoides superconductores fabricados a partir de aleaciones especiales que crean fuertes campos magnéticos (de hasta 300 mil oersteds) a la temperatura del helio líquido con un consumo de energía insignificante.

A la temperatura del helio líquido, muchos metales y aleaciones se vuelven superconductores. Los relés superconductores (criotrones) se utilizan cada vez más en los diseños de computadoras electrónicas. Son simples, confiables y muy compactos. Los superconductores, y con ellos el helio líquido, se están volviendo necesarios para la electrónica. Se incluyen en los diseños de detectores de radiación infrarroja, amplificadores moleculares (máseres), generadores cuánticos ópticos (láseres) e instrumentos para medir frecuencias ultraaltas.

Por supuesto, estos ejemplos no agotan el papel del helio en la tecnología moderna. Pero si no fuera por las limitaciones recursos naturales, sin la extrema disipación del helio, tendría muchos más usos. Se sabe, por ejemplo, que los productos alimenticios conservados en helio conservan su sabor y aroma originales. Pero los alimentos enlatados con "helio" siguen siendo una "cosa en sí misma", porque no hay suficiente helio y se utiliza sólo en las industrias más importantes y donde no se puede prescindir de él. Por lo tanto, es especialmente ofensivo darse cuenta de que con el gas natural inflamable, cantidades mucho mayores de helio pasan a través de aparatos de síntesis química, hornos y hornos y escapan a la atmósfera que las extraídas de fuentes que contienen helio.

Actualmente se considera rentable liberar helio sólo en los casos en que su contenido en gas natural sea al menos del 0,05%. Las reservas de este gas están disminuyendo constantemente y es posible que se agoten antes de finales de este siglo. Sin embargo, el problema de la "deficiencia de helio" probablemente se resolverá en ese momento, en parte mediante la creación de métodos nuevos y más avanzados para separar gases, extrayendo de ellos las fracciones más valiosas, aunque insignificantes, y en parte gracias a la fusión termonuclear controlada. El helio se convertirá en un importante, aunque subproducto, de la actividad de los “soles artificiales”.

Isótopos de helio

Hay dos isótopos estables de helio en la naturaleza: helio-3 y helio-4. El isótopo ligero se distribuye en la Tierra un millón de veces menos que el pesado. Este es el isótopo estable más raro que existe en nuestro planeta. Se han obtenido artificialmente tres isótopos más de helio. Todos son radiactivos. La vida media del helio-5 es de 2,4·10 –21 segundos, la del helio-6 es de 0,83 segundos y la del helio-8 es de 0,18 segundos. El isótopo más pesado, interesante porque en su núcleo hay tres neutrones por protón, fue estudiado por primera vez en Dubna en los años 60. Hasta ahora los intentos de obtener helio-10 han sido infructuosos.

Último gas sólido

El helio fue el último de todos los gases en convertirse en estado líquido y sólido. Las dificultades particulares de licuar y solidificar el helio se explican por la estructura de su átomo y algunas características. propiedades fisicas. En particular, el helio, al igual que el hidrógeno, a temperaturas superiores a –250°C, al expandirse no se enfría, sino que se calienta. Por otra parte, la temperatura crítica del helio es extremadamente baja. Es por eso que el helio líquido no se obtuvo por primera vez hasta 1908 y el helio sólido, en 1926.

aire de helio

El aire en el que todo o la mayor parte del nitrógeno es sustituido por helio ya no es noticia hoy en día. Es ampliamente utilizado en tierra, bajo tierra y bajo el agua.

El aire con helio es tres veces más ligero y mucho más móvil que el aire normal. Se comporta más activamente en los pulmones: suministra oxígeno rápidamente y evacua rápidamente dióxido de carbono. Es por eso que se administra aire con helio a pacientes con trastornos respiratorios y algunas operaciones. Alivia la asfixia, trata el asma bronquial y enfermedades de la laringe.

Respirar aire con helio prácticamente elimina la embolia de nitrógeno (enfermedad de Caisson), a la que son susceptibles los buceadores y especialistas de otras profesiones que trabajan en condiciones de alta presión durante la transición de la alta presión a la normalidad. La causa de esta enfermedad es bastante importante, especialmente con la presión arterial alta, la solubilidad del nitrógeno en la sangre. A medida que disminuye la presión, se libera en forma de burbujas de gas que pueden obstruir los vasos sanguíneos y dañar los ganglios nerviosos. A diferencia del nitrógeno, el helio es prácticamente insoluble en los fluidos corporales, por lo que no puede provocar enfermedad por descompresión. Además, el aire con helio elimina la aparición de "narcosis por nitrógeno", que externamente es similar a la intoxicación por alcohol.

Tarde o temprano, la humanidad tendrá que aprender a vivir y trabajar en el fondo del mar durante mucho tiempo para poder aprovechar seriamente los recursos minerales y alimentarios de la plataforma. Y a grandes profundidades, como lo han demostrado los experimentos de investigadores soviéticos, franceses y estadounidenses, el aire con helio sigue siendo indispensable. Los biólogos han demostrado que la respiración prolongada con aire con helio no provoca cambios negativos en cuerpo humano y no amenaza con cambios en el aparato genético: la atmósfera de helio no afecta el desarrollo de las células ni la frecuencia de las mutaciones. Hay trabajos cuyos autores consideran que el aire con helio es el medio aéreo óptimo para las naves espaciales que realizan vuelos largos al Universo. Pero hasta ahora el aire con helio artificial aún no ha salido de la atmósfera terrestre.

Es curioso que en nuestro planeta hierro-silicio no ocupe el primer lugar, superando a muchos elementos químicos. Además, el contenido relativo de helio en las capas exteriores de la Tierra, incluidas la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera, es decenas de miles de millones de veces menor que en el Universo en su conjunto. Se supone que el que fue capturado por la Tierra durante su formación se evaporó paulatinamente y salió al espacio exterior, al igual que el libre.

Sin embargo, ambos y no pudieron abandonar completamente la Tierra. El primero está presente químicamente en la Tierra. estado ligado, el segundo surge constantemente en el proceso de desintegración radiactiva. Y aunque el helio no se encuentra en estado libre, los geólogos dicen que es imposible encontrar una mezcla de gas natural completamente desprovista de helio. La concentración de helio en los gases naturales es naturalmente baja y varía dentro de amplios límites: desde diezmilésimas de porcentaje hasta varios por ciento. Y aunque no existen zonas en la Tierra de las que se pueda decir que estén saturadas de helio, este elemento está presente en todas partes. Está esparcido por todo el planeta.

Helio en la atmósfera

Poco después del descubrimiento de W. Ramsay, cuando el helio adquirió derechos de ciudadanía en nuestro planeta, comenzó una búsqueda intensificada en la Tierra. Pronto quedó claro que el helio todavía formaba parte de la atmósfera terrestre. Esto se comprobó por primera vez al tomar muestras de aire sobre Bonn en 1904, y nueve años más tarde se confirmó finalmente la presencia de este elemento en el aire terrestre. Es cierto que en la atmósfera terrestre resultó ser extremadamente pequeño: alrededor del 0,0005 % en volumen. Posteriormente, estos datos fueron verificados varias veces. Resultó que el contenido de helio en la atmósfera terrestre es constante. Según datos actualizados, por cada 1000 m³ El aire representa 5,24 litros de helio. Más tarde, cuando surgió el interés industrial por el helio, quedó claro que el aire no podía ser una fuente de helio.

Al principio se supuso que el agotamiento del helio era característico únicamente de la capa atmosférica adyacente a la Tierra. Se esperaba que las capas superiores de la atmósfera estuvieran más saturadas de él. Sin embargo, el estudio de estas capas, que se inició allá por los años 30 con la ayuda de radiosondas y globos estratosféricos, y después de la Segunda Guerra Mundial con la ayuda de cohetes y satélites terrestres artificiales, demostró que no es así. La composición de la atmósfera permanece sorprendentemente constante, es decir, la atmósfera está compuesta principalmente de nitrógeno y oxígeno a lo largo de 100 km desde la superficie de la Tierra. Sólo en la exosfera, la capa exterior de la Tierra que gradualmente se extiende hacia el espacio exterior, aumenta notablemente la concentración de helio libre.

El espacio acuático del planeta, como señaló una vez V.I. Vernadsky, al igual que la atmósfera, no puede ser un lugar de concentración de helio. El caso es que no se disuelve bien en agua. 1 litro de agua de mar contiene entre una y dos diezmilésimas de helio y otros gases inertes, aunque es posible que a grandes profundidades, donde la presión alcance los 1000 kgf/cm² , el helio en el agua puede aumentar ligeramente.

Almacenamiento de helio

La corteza terrestre es más rica en helio que la atmósfera y la hidrosfera. Según estimaciones de V.I. Vernadsky, el helio es tan común en la corteza terrestre como, aunque, por supuesto, su prevalencia en la Tierra es mucho menor que en el Universo en su conjunto. V.I. Vernadsky se preguntó más de una vez: “¿Por qué hay tan poco helio? ¿A dónde fue?

Poco después del descubrimiento del helio, comenzaron sus intensas búsquedas en las rocas. Fue en la composición de los minerales donde se descubrió por primera vez el helio terrestre. W. Ramsay también llamó la atención sobre el hecho de que todo lo rico en uranio y torio también contiene helio. Pero en 1897 no podían explicar por qué era así. En general, eran capaces de contener muchos gases, no sólo helio.

El contenido de helio en los minerales de uranio, en particular en 1 g de torianita, alcanza los 10,5 cm.³ . Esto significa que la presión parcial del helio dentro de la red cristalina del mineral podría ser de aproximadamente 10 kgf/cm² . 1 g de la conocida kleveita contiene entre 0,8 y 3,5 cm³ helio.

Cuando se estableció la conexión genética del helio con sustancias radiactivas, se hizo evidente su presencia en minerales que lo contienen: el helio debe haberse formado constantemente como resultado de la desintegración radiactiva. Esta circunstancia parecía muy prometedora para determinar la edad absoluta de las rocas. Pero hablaremos de los problemas de la geocronología con más detalle en el Capítulo VII. Aquí nos interesa algo más: las fluctuaciones en el contenido de helio en los minerales fueron tan grandes y, como resultó, no siempre proporcionales a la edad de los minerales, que la edad determinada con helio resultó ser de decenas e incluso cientos. de tiempos subestimados o sobreestimados. no eran el almacenamiento de helio más confiable.

Pero, quizás, lo más interesante fue que junto con los minerales que contienen helio acumulado como resultado de la desintegración radiactiva, también había aquellos en los que no se produjo desintegración radiactiva o la concentración de sustancias radiactivas era insignificante, pero se observó helio en cantidades mayores. Este fenómeno fue descubierto por primera vez en 1903 por el científico inglés R. Strett, quien examinó sistemáticamente el contenido de helio de muchos minerales. Los berilos resultaron ser especialmente ricos en helio. Pero el helio que contienen no tenía ninguna relación con la radiactividad de los elementos que los componen. El contenido de helio de los berilos de diferentes depósitos variaba, pero R. Strett descubrió que cuanto más antiguo era el mineral, más helio contenía. La edad de tales minerales, determinada por el método del helio, alcanzó decenas de miles de millones de años y superó significativamente la edad de la Tierra misma.

Una explicación para este fenómeno la dio en los años 40 del siglo actual el científico soviético E.K. Gerling, quien, como resultado de experimentos especialmente diseñados, demostró que el helio en las rocas fundidas aumenta notablemente. Por tanto, el exceso de helio obviamente no tiene nada que ver con la propia radiactividad del mineral. Llegó a estos minerales en un momento en que en la superficie de la Tierra reinaban temperaturas bastante altas y muchas rocas estaban fundidas. Los minerales que contienen un exceso de helio obviamente no son de interés para determinar la edad de las rocas, sino para obtener información sobre la historia térmica de la Tierra.

Durante mucho tiempo, al menos antes de la Primera Guerra Mundial, los minerales sirvieron como única fuente de helio libre. Calentando los minerales a 1.000 °C fue posible obligarlos a desprenderse del helio atrapado en el espacio poroso. Sin embargo, de esta forma fue posible obtener una pequeña cantidad de helio: solo fue suficiente para la investigación científica.

Por cierto, de esta manera el científico holandés H. Kamerlingh-Onnes obtuvo helio para sus ya clásicos experimentos sobre cómo convertir el helio en estado líquido.

"Burbujas de la Tierra"

“La Tierra, al igual que ella, contiene gases, y estas eran burbujas terrestres”. W. Shakespeare puso estas palabras en boca de uno de sus héroes.

Los gases naturales, tal como los entiende la ciencia moderna, son parte del gas natural que se encuentra en estado gaseoso. El concepto de “gases naturales” no incluye la atmósfera. Los gases naturales son volúmenes relativamente pequeños de gas escondidos en los poros de las rocas. Los tamaños de los poros y huecos del subsuelo pueden variar ampliamente: desde fracciones de un micrómetro hasta cientos de metros cúbicos. Los gases naturales contienen muchos componentes: dióxido de carbono, una amplia gama de hidrocarburos, desde metano hasta compuestos más complejos y, por regla general, helio con argón.

Dado que el helio está genéticamente relacionado con elementos radiactivos que se encuentran dispersos en la corteza terrestre, generalmente se forma en todas partes. En parte, como ya sabemos, se acumula en minerales y en parte se disuelve en la sustancia que lo rodea: principalmente en agua, pero también en gases naturales y petróleo. Junto con los gases naturales, petróleo, sub-. En las aguas terrestres, el helio migra a través de grietas y poros que abundan en las rocas y, como dijo el famoso geólogo soviético V.P. Yakutseni, "crea allí un fondo, aunque pequeño, pero notable, de su propia presencia".

En algunas zonas, el contenido de helio puede ser incluso bastante elevado. De todos los componentes, los gases naturales son los más enriquecidos con helio. El récord a este respecto lo obtuvo una fuente termal en Tanzania, donde el contenido de helio en los gases disueltos en el agua alcanzó el 17,7%.

La investigación sobre el “helio fósil” comenzó a finales del siglo pasado: se descubrió primero en los gases volcánicos de Italia y luego en los géiseres de Islandia. Poco a poco se hizo evidente que, en cantidades variables, junto con otros gases nobles, está presente en gases naturales de diversos orígenes: volcánico (que acompaña a las erupciones volcánicas y que resulta de reacciones químicas que ocurren a altas temperaturas), tectónico (tales chorros de gas surgen donde hay perturbaciones aparición de rocas; las grietas tectónicas les sirven de vía de salida) y, finalmente, sedimentarias. También se encontró helio en los gases de las minas.

Por supuesto, el grado de saturación de los gases naturales con helio depende de muchos factores, en particular de la intensidad del helio entrante desde las rocas circundantes. Pero ni el petróleo ni el petróleo pueden competir con los gases naturales en términos del grado de acumulación de helio y, desde un punto de vista práctico, cómo. fuente potencial helio, las de mayor interés son las “burbujas terrestres”, es decir, los depósitos de gas

Helio-3 en la Tierra

Si los isótopos radiactivos del helio, debido a la corta duración de su existencia, nunca lograron salir del laboratorio y desempeñar un papel importante en la evolución, entonces la búsqueda del segundo isótopo estable después del helio-4, el helio-3, es de cierto interés. . Aquí los científicos tuvieron que enfrentarse. otro misterio Helio: un isótopo ligero se encontró en la materia terrestre cientos de miles, millones e incluso miles de millones de veces menos que el helio-4.

La proporción de isótopos del helio natural llamó la atención hasta 1939, después del descubrimiento del isótopo de helio con número de masa 3. Las primeras estimaciones del contenido de helio-3 en la atmósfera y en algunos gases naturales, realizadas por L. Álvarez y R. Cornog, demostró que es 10⁶ - 10 ⁸ veces menos que el helio-4. El hecho de que este isótopo no fuera descubierto en su momento por F. Aston no parecía sorprendente: para determinar la presencia de cantidades tan pequeñas del isótopo helio-3, se necesitaba un equipo más sensible.

Lo más extraño no fue el contenido extremadamente bajo de helio-3, un isótopo estable en la materia terrestre, sino las extraordinarias variaciones en la proporción isotópica del helio.

“No existe ningún otro elemento en la naturaleza cuya proporción isotópica cambie en un rango tan amplio (la proporción 3He/4He cambia en más de nueve órdenes de magnitud)”, escribió el famoso científico soviético en 1956.

el físico V.V. Cherdyntsev.

El estudio de la proporción de isótopos del helio en la naturaleza marcó el comienzo de la segunda era del helio. Resultó que en varios lugares globo es diferente. La mayor concentración de helio-3 es característica de los gases volcánicos, donde la proporción³ No/ ⁴ No unas 10 veces superior a la atmosférica. La menor cantidad de helio-3 se encontró en minerales radiactivos, donde la proporción 3He/4He es aproximadamente 10⁻ ¹⁰ . Esto se vuelve comprensible si tenemos en cuenta que los minerales radiactivos contienen hasta un 10% de uranio y torio, durante cuya desintegración alfa sólo se repone constantemente el isótopo pesado del helio. Pero los minerales de litio resultaron ser decenas y cientos de miles de veces más ricos en helio-3 que los minerales de uranio y torio.

También llamó la atención la siguiente circunstancia: cuantas más muestras de gas se tomaron, mayor resultó ser la proporción de isótopos de helio. Para los gases volcánicos y naturales de los estratos sedimentarios, difería cientos de miles de veces.

Surgió la pregunta: ¿tiene la abundancia de helio-3 algo que ver con el problema del origen del helio en la Tierra? Para responder a la pregunta, es necesario recurrir a los objetos extraterrestres. Resultó que casi todos los objetos de origen extraterrestre: meteoritos y muestras de suelo lunar, radiación cósmica y viento solar contienen helio estable. En 1952, F. Panet estudió la proporción de isótopos de helio en meteoritos de hierro. Descubrió que aunque el helio constituye partes por millón de meteoritos, su proporción isotópica alcanza un valor récord en comparación con la sustancia de la Tierra: 0,315. Se suponía que en los meteoritos se forma un isótopo ligero de helio como resultado de reacciones nucleares que ocurren bajo la influencia de la radiación cósmica. Se calcula que en un año 1 g de materia de meteorito de hierro puede formar 5,10⁻ ¹⁴ cm³ helio Y la edad de los meteoritos es 10.⁸ - 10 ⁹ años, y todo este tiempo están expuestos a la radiación cósmica.

En los meteoritos de piedra, la proporción de isótopos de helio es decenas de veces menor que en los meteoritos de hierro. Este agotamiento del isótopo ligero del helio se explica, como en el caso de los minerales radiactivos de la Tierra, por el hecho de que la proporción de helio radiogénico que surge en estos cuerpos como resultado de la desintegración alfa es mayor que en los meteoritos de hierro debido a la mayor contenido de elementos radiactivos en ellos. Por cierto, este enriquecimiento con helio-3 sólo es válido para las superficies de los meteoritos, donde podría penetrar la radiación cósmica. En las regiones internas de los meteoritos, la proporción de isótopos de helio resulta sorprendentemente constante: 3 10⁻ ⁴ , es decir, por cada 10.000 núcleos de helio hay tres de sus isótopos ligeros.

Estos datos fueron obtenidos por primera vez en 1955 por los científicos soviéticos E.K. Gerling y L.K. Levsky, quienes estudiaron la composición del meteorito Staroe Pesyanoe. Supusieron que la sustancia de los meteoritos conservaba el llamado helio primario, solar, lo que refleja la composición de la sustancia a partir de la cual una vez se formaron los meteoritos. La hipótesis sobre la conservación del helio primordial se confirmó cuando los investigadores obtuvieron muestras de suelo lunar entregadas por las estaciones espaciales soviéticas Luna-16, Luna-17 y la expedición estadounidense Apolo 14. En las rocas lunares, la proporción de isótopos de helio era mucho mayor que en cualquier muestra de materia terrestre: 10⁻ ² -10 ⁻ ⁴ .

Helio-3 en el espacio

Sin embargo, hay otro objeto en la naturaleza (si es que se le puede llamar objeto) rico en helio-3. Esta es la radiación cósmica. A pesar de su edad de millones de años, esta radiación no es la primera generación (relativa al comienzo de la expansión) de materia del Universo. Según los conceptos modernos, la radiación cósmica galáctica se forma durante las explosiones de supernovas, cuando las altas temperaturas y una enorme concentración de neutrones hacen factibles reacciones de adición de neutrones en poco tiempo. Y esto conduce a la aparición de casi todos los isótopos imaginables de los núcleos atómicos. En la radiación cósmica, como en el Universo en su conjunto, el helio ocupa el segundo lugar después del hidrógeno: 85% de hidrógeno, 14% de helio y 1% de núcleos.

Durante mucho tiempo no hubo información sobre la composición isotópica de la radiación cósmica. El hecho es que el detector principal, que permite juzgar las cargas de las partículas que componen la radiación cósmica,

Durante mucho tiempo se utilizó la emulsión fotográfica nuclear, con la que era posible identificar de forma bastante fiable las partículas en función de las cargas, pero no de las masas de las partículas. El helio-3 y el helio-4 atrapados en la emulsión fotográfica son prácticamente indistinguibles, al igual que el helio-6 y el helio-8. Pero el helio radiactivo se puede identificar por sus desintegraciones, como se hizo, en particular, en los experimentos de O.V. Lozhkin y A.A.Rimsky-Korsakov.

Se ha descubierto que la proporción isotópica de helio en la radiación cósmica es bastante alta. Con una energía de 8 - 350 MeV/nucleón, se puede encontrar un núcleo de helio-3 entre diez núcleos de helio-4. Y en la parte galáctica, muy rápida, de la radiación cósmica, el helio-3 se puede encontrar incluso con más frecuencia que el isótopo principal.

En el espacio circunsolar hay otra fuente de radiación corpuscular, es decir, formada por partículas. Este - viento solar, que es un flujo de plasma neutro a partir de partículas cargadas positivamente [principalmente núcleos ligeros: protones, deuterones, tritones (núcleos de tritio), helio-3 y helio-4 y electrones. El viento solar refleja la composición de las capas exteriores del Sol. La proporción isotópica que nos interesa es³ No/ ⁴ No en el viento solar está (Z÷ 4)·10 ⁻ ⁴ .

El viento solar "sopla" en nuestro sistema solar constantemente. Pero la energía y la intensidad de las partículas que componen su composición son pequeñas; en cualquier caso, el viento solar no puede llegar a la superficie terrestre; la atmósfera y el campo magnético de nuestro planeta extinguen por completo sus “ráfagas”. En cuanto a los planetas sin atmósfera del grupo terrestre (Luna, Mercurio), además, privados campo magnético, desviando partículas cargadas, entonces sus superficies están bajo un "fuego" continuo de partículas solares. Y esto no puede dejar de afectar la composición isotópica. Por lo tanto, no es sorprendente que la proporción de isótopos de helio en las muestras de suelo lunar fuera la misma que la del viento solar.

Sin embargo, de vez en cuando los astrónomos observan fenómenos llamados erupciones solares. Con la ayuda de equipos especiales instalados en las naves espaciales, se pudo descubrir que muchas llamaradas son anormalmente ricas en helio-3, es decir, helio-3, cuyo contenido es varias veces mayor que el helio-4 y, a menudo, es comparable al hidrógeno. fluye. La explicación más probable para estos hechos está asociada con las reacciones nucleares que ocurren en la superficie del Sol, aunque, obviamente, existe cierta conexión entre el contenido de helio-3 en el interior del Sol y la energía del Sol. Son las reacciones nucleares las que explican el enriquecimiento de la superficie de los meteoritos y la radiación cósmica con helio-3.

En los años 40 y 50, muchos físicos que estudiaban la interacción de partículas bastante energéticas (protones, mesones, neutrones, núcleos ligeros tanto de origen cósmico como acelerados artificialmente) con núcleos atómicos observaron el nacimiento de nuevos núcleos a partir de materia nuclear. Los físicos llamaron a este proceso fragmentación. Resultó que cuando los núcleos atómicos se dividen por partículas de alta energía, se pueden formar casi todos los núcleos ligeros que se pueden encontrar en la naturaleza. Resultó que este proceso juega un papel importante en la evolución del Universo.

La fragmentación puede explicar las erupciones solares ricas en helio-3. Los fragmentos de núcleos nacidos de núcleos atómicos, en los que cayeron partículas de radiación cósmica, cambian la composición química de los meteoritos. E incluso la composición de la radiación cósmica durante su largo viaje a través del medio interestelar está determinada en cierta medida por la fragmentación. En reacciones nucleares que ocurren bajo la influencia de protones, mesones pi, deuterones y otras partículas de alta energía, la proporción de helio-3 (en relación con el helio-4) puede alcanzar un promedio del 40%, y en la parte de alta energía. del espectro, la proporción de helio-3 a helio -4 es aproximadamente igual a 3. Por lo tanto, no es sorprendente que en aquellos objetos cósmicos donde se produjeron transformaciones nucleares durante un largo período de tiempo, se acumule mucho más helio-3 del que se tenía. a partir de los primeros momentos iniciales del Universo. Y dado que el contenido de helio-3 y helio-4 cambia constantemente, surge la pregunta: ¿se ha conservado la proporción isotópica original de helio y, de ser así, dónde buscarla?

En unas pocas generaciones, los globos aerostáticos pueden pasar a la historia. Compra un globo. Déjalo ir y observa cómo se reduce hasta convertirse en un pequeño punto y desaparece en la estratosfera. Entonces volará demasiado lejos y se agrietará, o perderá lentamente componentes que son más livianos que el aire. De una forma u otra, el helio escapará del globo y de la atmósfera. El helio de la Tierra literalmente vuela al espacio.

Éste es el futuro del helio mundial en los próximos cien años, afirman los científicos. Éste es el destino del gas, que es más ligero que el aire: la gravedad simplemente no puede retenerlo. La corteza terrestre libera algo de helio, pero éste abandona rápidamente la atmósfera. La cantidad de helio que contiene se mantiene estable en 0,00052 por ciento en volumen. Extraer una cantidad tan pequeña del aire sería muy caro. El helio que se puede comprar y utilizar se obtiene de reservas de gas natural, principalmente en Estados Unidos.

Cuando se usa (en globos, resonancias magnéticas o cohetes), el helio sube, sube y se aleja. A medida que los suministros de helio se agotan gradualmente, los precios ya están empezando a subir y los globos están dando paso a usos más serios. Dentro de cien años, un globo podría valer más que un anillo de oro macizo. Aunque los científicos sabían de la inminente escasez de helio hace décadas, sólo se convirtió en noticia en los últimos cinco años.

¿Por qué? Las razones se encuentran en la compleja historia política del helio.

¿Cómo llegamos aquí?

Helios en el carro del sol. Nicolás Bertín

En 1868, el helio fue visto por primera vez como una línea en el espectro de luz durante un eclipse solar. El nombre helio está asociado con el dios griego Helios, que todos los días conducía el sol por el cielo en un carro dorado. En 1895, el químico escocés William Ramsay descubrió por primera vez este gas en la Tierra. Ese mismo año, los químicos suecos Per Theodor Kleve y Abram Lenglet recolectaron suficiente gas para determinar su número atómico, 2.

El elemento está presente en energía solar, porque el Sol es una enorme bola de hidrógeno y helio. La gravedad del Sol es tan fuerte que en su centro, los átomos de hidrógeno (con un protón) se fusionan y se convierten en átomos de helio (con dos protones). Este proceso se llama reacción termonuclear y libera energía, en una cantidad suficiente para que podamos ver luz del sol y sintió el calor a una distancia de 150.000.000 km. Pero no obtenemos helio solar. Este gas, aislado por primera vez por los científicos, era un subproducto de la disolución de pechblenda (el mineral más común de uranio) en ácido, un proceso que es a la vez radiactivo y costoso.

En 1903, una plataforma petrolera en Kansas descubrió un géiser de gas decepcionantemente inflamable. Este gas fue enviado al laboratorio para su análisis y resultó ser helio al 1,8%, mucho más concentrado que el que se encuentra en la atmósfera. Los ingenieros comenzaron a estudiar el gas de otros pozos del país y, como resultado, en 1906 los científicos declararon: “El helio no es un elemento raro, sino común, y tenemos que encontrar un uso para sus vastas reservas”.

Por qué el helio es mucho más adecuado para los dirigibles que el hidrógeno

Al demostrar ser una sustancia común, el helio se convirtió en una solución natural para globos de goma y dirigibles, que antes se llenaban con hidrógeno, igualmente liviano pero inflamable. El helio es menos común fuera de Estados Unidos y el gobierno quería mantener esta ventaja. En 1925, el Congreso aprobó la Reserva Federal de Helio para dirigibles militares y comerciales, y una ley aprobada en 1927 prohibía la exportación de helio. Como resultado, los dirigibles de otros países, como el Hindenburg, siguieron funcionando con hidrógeno, lo que provocó el famoso desastre.

Pronto se encontraron otras formas de utilizar el recurso. Tiene el punto de ebullición más bajo de todas las sustancias conocidas: -269 grados Celsius, por lo que en estado líquido el helio es un refrigerante ideal. Un líquido en ebullición mantiene la temperatura a la que hierve mientras permanezca líquido (no se calienta más). El agua no puede estar a más de cien grados y el helio líquido no puede estar a más de -269. El recurso comenzó a utilizarse para aislar arcos de soldadura y, más tarde, en superconductores, reactores nucleares y criogénicos. Hoy en día, este gas se utiliza con mayor frecuencia como refrigerante.

Desde el Proyecto Manhattan, el helio se utiliza para buscar fugas: es un gas inerte que no reacciona con otras sustancias y penetra muy rápidamente en los agujeros. Se utiliza para medir la radiación y en imágenes médicas.

La temperatura de los imanes en la máquina de resonancia magnética se mantiene con helio.

Reserva Federal

Aunque cesó el uso de aeronaves llenas de helio, la Reserva Federal de Helio continuó existiendo y expandiéndose en la segunda mitad del siglo XX porque el gas era útil para las necesidades gubernamentales, principalmente las industrias espacial y de defensa.

En 1996, la Reserva Federal ascendía a mil millones de metros cúbicos, pero ha dejado de ser de interés para el gobierno estadounidense, en parte debido a una mala gestión financiera. El Washington Post escribió: “En 1996, el suministro de helio parece un desperdicio. Los dirigibles ya no eran una parte vital de la fuerza aérea y, lo más importante, después de haber pagado a los perforadores para extraer helio del gas natural, la instalación de almacenamiento se quedó debiendo 1.400.000.000 de dólares”.

Tanto Reagan como Clinton prometieron resolver el problema y en 1996 el Congreso aprobó una legislación para privatizar el helio. A partir de 2005, las existencias debían empezar a venderse a un precio fijo, en lugar de a un valor de mercado, y en 2015 estaba previsto completar las ventas y cerrar el almacén.

Globo en el desfile del Día de Acción de Gracias de Macy's

Por lo tanto, el mercado se inundó de helio, su precio cayó bruscamente y el consumo, según los ecologistas, aumentó considerablemente. “Debido a esta ley, el helio se ha vuelto demasiado barato y no se percibe como un recurso valioso. Lo desperdician. [...] El helio no se ha agotado tan rápido como se desearía y los precios mundiales del mismo son ridículamente bajos”, dijo el premio Nobel Robert Richardson en 2010.

El profesor Richardson cree que es necesario aumentar los precios del helio entre 20 y 50 veces para fomentar el reciclaje. Por ejemplo, la NASA ni siquiera intenta reutilizar el helio después de limpiar los tanques de combustible de los cohetes, lo que desperdicia una gran cantidad de este gas. El profesor Richardson también cree que globos Llenos de helio son demasiado baratos. Cada uno de ellos debería costar unos 100 dólares, tal es el valor del gas que contienen.

Richardson cree que si se mantienen los actuales niveles de consumo, las reservas mundiales de helio durarán unos cien años.

En lugar de alentar al sector privado a producir helio, la venta de reservas ha tenido el efecto contrario. El gas se volvió tan barato que nadie vio la necesidad ni el beneficio de producirlo ellos mismos. Anticipándose a 2015, los científicos dieron la alarma: si las reservas se agotan según lo previsto, ya no podrán recuperarse. Estados Unidos, que produce alrededor del 70% de todo el helio del planeta, sigue siendo el líder mundial en su producción, lo que significa que su escasez en Estados Unidos podría causar problemas en todo el mundo.

En 2013 se aprobó la Ley de Control Estratégico del Helio, lo que permite su subasta hasta 2021, por lo que el precio pronto se acercará al precio de mercado, después de que una gran parte del suministro se vendiera por unos centavos.

Helio hoy

Incluso si la subasta resuelve gradualmente el problema de los precios, el helio es un recurso no renovable. Se espera que las reservas se agoten en 2020 y, aunque esto no suceda, según las leyes actuales, la instalación de almacenamiento de gas deberá cerrarse en 2021. Al mismo tiempo, el mundo busca desesperadamente refrigerantes, levitadores y fuentes de helio alternativos.

El Servicio Geológico de Estados Unidos escribe: “A finales de la década, las instalaciones internacionales de producción de helio probablemente se convertirán en la principal fuente de helio del mundo. Instalaciones de este tipo ya se han creado en Argelia y Qatar”. China planea extraer helio-3, que actualmente sólo se produce en su mayor parte, en la Luna.

Muchos consumidores, ante el aumento de los precios, comenzaron a buscar formas de reciclar el helio. Dependiendo de hacia dónde conduzcan estos esfuerzos, es posible que podamos retrasar el día en que un montón de globos se convierta en un lujo tan loco como los cubiertos de plata o las teclas de un piano forradas de marfil.

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