هلیوم (Helium) دومین عنصر سبک جهان پس از هیدروژن و دومین فراوان‌ترین عنصر در کیهان است. این گاز بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه و کاملاً بی‌اثر شیمیایی است و به دلیل ساختار پایدار الکترونی‌اش، به‌ندرت وارد واکنش شیمیایی می‌شود. هلیوم در گروه گازهای نجیب (گروه ۱۸ جدول تناوبی) قرار دارد و ساختار اتمی آن شامل دو پروتون و معمولاً دو نوترون در هسته و دو الکترون در مدار است.
از نظر فیزیکی، هلیوم کمترین نقطه جوش (۴٫۲ کلوین) و ذوب را در بین تمام عناصر دارد. جالب است که تنها گازی است که حتی در دمای بسیار پایین و فشار معمولی، به‌طور طبیعی جامد نمی‌شود.
هلیوم دو ایزوتوپ پایدار دارد: هلیوم-۴ که رایج‌ترین شکل آن است و هلیوم-۳ که کمیاب‌تر بوده و در فناوری‌های آینده مانند همجوشی هسته‌ای و ابررسانایی کاربرد دارد.
تاریخچه کشف هلیوم
کشف هلیوم نمونه‌ای شاخص از «کارآگاهی علمی» است. در سال ۱۸۶۸، «سِر نورمن لاکی‌یر» اخترشناس انگلیسی، هنگام مطالعه نور خورشید با
طیف‌سنج، به خط زردرنگی در طیف نوری برخورد که به هیچ عنصر شناخته‌شده‌ای در زمین تعلق نداشت. او به این نتیجه رسید که با یک عنصر جدید روبه‌رو شده است. این عنصر تازه را «هلیوم» نامید که برگرفته از واژه یونانی
هلیوس (Helios) به معنای خورشید است.
این نخستین باری بود که یک عنصر شیمیایی ابتدا در خارج از زمین و سپس روی زمین کشف می‌شد.
کشف هلیوم روی زمین
پس از این کشف، جست‌وجو برای یافتن هلیوم در زمین آغاز شد. سال‌ها بعد، مشخص شد که در جو زمین مقدار اندکی هلیوم وجود دارد؛ به‌طور تقریبی، در هر ۲۵۰ هزار متر مکعب هوا تنها
یک متر مکعب هلیوم یافت می‌شود.
آزمایش‌های بعدی نشان داد که عناصر پرتوزایی مانند رادیوم در فرآیند واپاشی خود هلیوم آزاد می‌کنند. ذرات آلفا که در این فرآیند ساطع می‌شوند، همان هسته‌های اتم هلیوم هستند که پس از جذب الکترون‌ها، به شکل گاز هلیوم درمی‌آیند.
در اوایل قرن بیستم، ایالات متحده با بررسی چاه‌های گاز طبیعی در ایالت‌هایی مانند تگزاس، نیومکزیکو و کانزاس، دریافت که ۱ تا ۲ درصد از گاز این چاه‌ها هلیوم است. این کشف آمریکا را به بزرگ‌ترین دارنده ذخایر هلیوم در جهان تبدیل کرد و تا امروز نیز این کشور یکی از اصلی‌ترین تولیدکنندگان این گاز است.
منابع و روش‌های استخراج هلیوم
امروزه هلیوم عمدتاً از
گاز طبیعی استخراج می‌شود. روش کار به این صورت است که گاز طبیعی خنک و مایع می‌شود، سپس هلیوم که دمای جوش بسیار پایینی دارد، از سایر اجزای گاز جدا می‌گردد. این فرایند نیازمند تجهیزات پیشرفته و مصرف بالای انرژی است.
در سال‌های اخیر، کشورهای دیگری مانند قطر و الجزایر نیز به جمع تولیدکنندگان بزرگ هلیوم پیوسته‌اند. با این حال، به دلیل فرار بودن این گاز و ناتوانی زمین در حفظ آن در جو، منابع آن محدود و ارزشمند هستند.
کاربردهای هلیوم
هلیوم به دلیل ویژگی‌های منحصر‌به‌فردش، طیف گسترده‌ای از کاربردها را پوشش می‌دهد:
- هوانوردی و بالون‌ها – پر کردن بالون‌های هواشناسی، کشتی‌های هوایی و تجهیزات ارتشی، به دلیل سبکی و غیرقابل‌اشتعال بودن.
- پزشکی – درمان برخی بیماری‌های تنفسی مانند تنگی نفس و استفاده در ترکیب با اکسیژن برای جلوگیری از «فلج غواصان».
- صنعت و فناوری پیشرفته – خنک‌سازی آهنرباهای ابررسانا در دستگاه‌های MRI، صنایع نیمه‌هادی و شتاب‌دهنده‌های ذرات.
- تحقیقات علمی – آزمایش‌های فیزیک دما پایین و پژوهش‌های کوانتومی.
- فضاپیماها و موشک‌ها – خنک‌سازی سوخت مایع و ایجاد فشار در مخازن سوخت.
هلیوم در دنیای امروز
در سال ۲۰۲۵، هلیوم علاوه بر کاربردهای سنتی، جایگاه مهمی در فناوری‌های نوین پیدا کرده است. برای مثال:
- هلیوم-۳ به عنوان سوخت بالقوه در نیروگاه‌های همجوشی هسته‌ای مطرح است.
- صنایع کوانتومی و ابررسانایی به هلیوم مایع وابسته‌اند.
- در تحقیقات پزشکی پیشرفته، از هلیوم برای تصویربرداری MRI با کیفیت بالاتر و ایمن‌تر استفاده می‌شود.
آینده هلیوم و چالش‌ها
با وجود فراوانی هلیوم در کیهان، روی زمین این عنصر کمیاب است. استفاده بی‌رویه و ناتوانی در بازیافت کامل آن، نگرانی‌هایی درباره کمبود منابع ایجاد کرده است. به همین دلیل، بسیاری از کشورها به سمت بازیافت هلیوم و کشف منابع جدید در خارج از زمین، مانند ماه، روی آورده‌اند.
پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که با رشد صنایع وابسته به هلیوم، تقاضا برای این گاز افزایش می‌یابد. سرمایه‌گذاری در فناوری‌های استخراج کارآمد و توسعه بازار جهانی هلیوم، نقشی حیاتی در تأمین پایدار این منبع ارزشمند خواهد داشت.
جمع‌بندی
هلیوم از کشفش در دل خورشید تا استفاده‌اش در پیشرفته‌ترین فناوری‌ها، مسیری شگفت‌انگیز را پیموده است. این عنصر نه‌تنها بخشی از تاریخ علم است، بلکه آینده بسیاری از فناوری‌های پزشکی، صنعتی و فضایی به آن گره خورده است. در جهانی که به سمت انرژی پاک و فناوری‌های پیشرفته حرکت می‌کند، هلیوم می‌تواند نقشی کلیدی در شکل‌دادن به آینده‌ای پایدار و نوآورانه ایفا کند.
ارسال نظر