Helijum je jeftin. To svi znamo. U nekim zemljama možete ući u mnoge prodavnice za rođendanske proslave, nešto sitno ćete platiti ii oni će vam napuniti balon. Vaše dete pusti kanap, balon odleti u nebo, svi gledaju ili mašu i niko o tome ne razmišlja dvaput. Pogled ili jedan mah ruke — to je ono što helijum vredi za većinu ljudi.
Ali, dozvolite mi da vam ispričam šta se zapravo dešava sa tim balonom. On se penje jer je helijum manje gust od vazduha, baš kao što se mehur diže u vodi. Kako se penje, pritisak opada, balon se širi i na kraju, negde na 10 ili 15 kilometara visine, on pukne. Helijum se prospe i pomeša sa vazduhom. Odatle, ti atomi počinju sporu, nevidljivu migraciju nagore. Kroz stotine hiljada ili milion godina, ti atomi helijuma dostižu egzosferu i napuštaju planetu. Dete koje maše balonu zapravo maše nečemu što odlazi sa Zemlje zauvek. Odlazi poput pisma koje ste bacili u okean ili toplote koja se raspršila u hladno noćno nebo. Odlazi u onom surovom, termodinamičkom smislu reči — nepovratno.
Svemirski putnik: Zašto gravitacija ne može da zadrži helijum
Možda mislite: "Pa šta? Helijum je drugi najzastupljeniji element u univerzumu!" I u pravu ste. Čini 24% vidljive materije kosmosa. Toliko ga ima tamo negde da je skoro sramotno. Ali na Zemlji? Ovde smo spektakularno i opasno siromašni njime. U našoj atmosferi ga ima svega 5,2 delova na milion (ppm). To je tek šapat u poređenju sa azotom ili kiseonikom.
Fizika koja stoji iza ovog nestanka je fundamentalna i prelepa. Sve se svodi na Maxwell-Boltzmannovu distribuciju brzina. Zamislite sobu punu ljudi koji plešu. Većina se njiše lagano, ali s vremena na vreme, dva plesača se sudare i jedan od njih bude odbačen mnogo brže od proseka. U sobi punoj teških ljudi, niko nikada neće dostići brzinu da probije vrata. Ali u sobi punoj lakih ljudi, onaj ko doživi srećan sudar može dostići ogromnu brzinu.
Ovde nastupa matematika. Molekularna masa azota je 28, a helijuma samo 4. Helijum je sedam puta lakši. Budući da se kinetička energija (1/2 mv^2) demokratski deli među česticama na istoj temperaturi, lakša čestica mora da se kreće brže. Ako je masa manja za faktor 7, brzina raste za koren iz 7, što je otprilike 2,6. To znači da se atomi helijuma na istoj temperaturi kreću skoro tri puta brže od azota.
U gornjim slojevima atmosfere, gde nema sudara da ih uspore, a Sunce ih "pumpa" ultraljubičastim zračenjem, neki atomi helijuma dostižu brzinu oslobađanja od 11 km/s. Postoji i "polarni vetar" — magnetno polje Zemlje je otvoreno na polovima, i tamo jonizovani helijum prati linije polja kao klikeri na šinama, bivajući ispaljen direktno u vakuum. Mi gubimo 50 grama helijuma svake sekunde. Zemlja polako, ali neprestano, krvari helijum u prazninu.
Nuklearni sat ispod naših nogu: Odakle zapravo dolazi helijum?
Helijum koji danas koristimo nije preostao od formiranja Zemlje. Taj primordijalni helijum je odavno pobegao. Svaki atom koji ste ikada videli proizveden je atom po atom, sporim kucanjem nuklearnih satova zakopanih u steni ispod vaših nogu.
Duboko u granitu, atomi uranijuma-238 miruju eonima. I onda, u momentu koji niko ne može predvideti, jezgro se raspadne. Iz njega izleti alfa čestica — snop od dva protona i dva neutrona — krećući se brzinom od 15.000 km/s. To je 5% brzine svetlosti! Ta čestica proleće kroz kristalnu rešetku stene, grabi dva elektrona od susednih atoma i, tek tako, postaje običan atom helijuma.
Na celoj planeti se godišnje proizvede tek oko 3.000 metričkih tona helijuma ovim putem. To je geološka infuzija, spora i strpljiva, koja traje milijardama godina. Neki od tih atoma ostanu zarobljeni ispod nepropusnih slojeva stena, u prirodnim rezervoarima starim 400 miliona godina. Mi trošimo to "geološko nasledstvo", tu akumuliranu kamatu prirode, u roku od samo dve generacije.
Kvantna magija: Superfluidnost i moj rad na "čaju od helijuma"
Kada ohladite helijum na 2,17 Kelvina (oko -269°C), dešava se nešto što smatram čudesnijim od bilo čega drugog u fizici. On prolazi kroz "lambda tranziciju" i postaje superfluid.
Radio sam na ovom problemu ranih pedesetih na Caltechu. Želeo sam da pokažem, koristeći Schrodingerovu jednačinu i moju formulaciju integrala po putanjama, zašto se tečni helijum ponaša tako bizarno. Superfluidni helijum ima nultu viskoznost. Ne nisku — nultu. Ako ga sipate u čašu, on će samostalno puzati uz unutrašnje zidove, preko ruba i slivati se spolja. Ako zavrtite kantu sa superfluidom, tečnost će odbiti da rotira sa kantom; ona samo stoji dok se kanta okreće oko nje. To je jezivo za gledanje.
Ono što vidite je kvantna mehanika vidljiva golim okom. To je Bose-Einsteinov kondenzat — atomi se ponašaju kolektivno, kao jedan jedini kvantni objekat veličine šolje čaja. Zbog ove "kvantne kompletnosti" i činjenice da ostaje tečan sve do apsolutne nule, helijum je nezamenljiv. Nijedan drugi gas ga ne može zameniti u kriogenici.
Tehnologija koja bi stala bez helijuma
Bez helijuma, moderna medicina i tehnologija bi se urušile. On nije luksuz; on je strateški materijal.
- MRI mašine:Svaki skener treba oko 2.000 litara tečnog helijuma da bi hladio superprovodne magnete. Bez toga, magneti gube svojstva i MRI se "gasi". Ne postoji zamena. Tečni azot jednostavno nije dovoljno hladan.
- Internet:Optički kablovi se proizvode u atmosferi čistog helijuma kako bi se sprečili mehurići vazduha koji blokiraju svetlosni signal.
- Rakete:Helijum je jedini gas koji ostaje gas na temperaturama tečnog vodonika, što ga čini jedinim izborom za održavanje pritiska u rezervoarima raketnog goriva.
- Dubinsko ronjenje:Koristimo ga da izbegnemo "narkozu azotom" (rapturu dubina), jer je helijum toliko inertan da ne interaguje sa našim nervnim sistemom čak ni pod ogromnim pritiscima.
Politička katastrofa Federalnih rezervi
Istorija našeg odnosa prema helijumu je priča o neverovatnoj neozbiljnosti. SAD su 1930-ih, poučene katastrofama poput Hindenburga (gde je nemački cepelin izgoreo jer mu SAD nisu htele prodati nezapaljivi helijum iz strateških razloga), stvorile Federalne rezerve helijuma u Amarillu.
Međutim, "Helium Privatization Act" iz 1996. prisilio je vladu da rasproda rezerve po veštački niskim cenama. Pošto je bio jeftin, niko ga nije reciklirao. To je dovelo do današnjeg haosa gde cene skaču sa 7,50 dolara na preko 14 dolara po kubnom metru. Fizičari na Harvardu su morali da zatvore polovinu svojih laboratorijskih projekata, a UC Davis je morao da prepolovi isporuke čak i za medicinsku upotrebu. Bolnicama je rečeno da mogu dobiti samo pola helijuma koji im je potreban za MRI skenere. To se dešava kada tretirate milijardu godina star resurs kao da je beskonačan.
Zaključak: Trošenje nasledstva koje nema zamenu
Helijum je prvi put otkriven na Suncu pre nego na Zemlji. Pierre Janssen i Norman Lockyer su ga 1868. videli u spektru solarne korone kao nepoznatu žutu liniju. Nazvali su ga po Heliosu — bogu Sunca. Za mene je to prelepa ironija: kosmički stranac koji se krio duboko u našim stenama, rođen iz smrti uranijuma.
Kada sledeći put vidite helijumski balon, setite se da on sadrži materijal za čije stvaranje je prirodi trebalo 4,5 milijardi godina. Svaki atom koji odleti u nebo je atom manje za MRI skener koji bi nekom mogao spasiti život. Mi trošimo svoje nasledstvo na trenutnu zabavu. Da li je taj mah ruke deteta zaista vredan gubitka nečega što se u čitavom poznatom univerzumu, na ovaj način, ne može zameniti?
Priredio: Dragan Tanaskoski
Izvor: Richard Feynman Mindset