تاریخ ناگفته‌ هلیوم؛ از بادکنک‌های تولد تا کشتی‌های هوایی

همه هلیوم را از بادکنک‌های تولد و صداهای جیغ‌مانند می‌شناسند؛ اما نکات جذاب زیادی درباره‌ی هلیوم وجود دارند که همه نمی‌دانند. در درجه‌ی اول، هلیوم به شکل‌ شگفت‌انگیزی کمیاب است. تنها تعداد اندکی منبع عظیم هلیوم در سراسر جهان وجود دارند که بزرگ‌ترین آن‌ها در قطر، الجزیره، روسیه و ایالات متحده قرار گرفته‌اند. در جو، زمین هلیوم با مقدار ۵٫۲ ذره در میلیون پیدا می‌شود اما در پوسته مقدار آن تنها ۵٫۵ ذره به ازای میلیارد است. این یعنی گاز موجود در بادکنک تولد شما، تقریباً به اندازه‌ی طلا کمیاب محسوب می‌شود!

اغلب افراد هلیوم را به عنوان ماده‌ای سرگرم‌کننده برای تولدها و جشن‌ها می‌بینند، اما منابع هلیوم به قدری اندک هستند که به زودی با خطر اتمام آن روبه‌رو می‌شویم. کمبود هلیوم در سراسر جهان دیده می‌شود و بدون این ماده‌ی مهم، بسیاری از فناوری‌های کنونی دچار مشکل خواهند شد. از کاربردهای مهم هلیوم می‌توان به سردسازی آهنرباها در اسکنرهای MRI بیمارستانی و همچنین آماده‌سازی ویفرهای سیلیکونی برای صنایع الکترونیک اشاره کرد.

اما تاریخچه‌ی هلیوم بسیار پیش از بشریت آغاز می‌شود. با اینکه هلیوم روی زمین کمیاب است، دومین ماده‌ی شیمیایی رایج در کل جهان به شمار می‌رود که در رویداد بیگ‌بنگ به مقدار زیاد تولید شد. بخش زیادی از هلیوم موجود در فضا، به اندازه‌ی کل کیهان قدمت دارد. در ادامه با زومیت همراه باشید تا با اطلاعات و تاریخچه‌ی جذابی از هلیوم آشنا شوید.

با اینکه دانش بشریت از هلیوم تقریبا جدید و مربوط به تاریخ انسان است، تاریخچه‌ی این عنصر به آغاز تاریخ کیهان می‌رسد. در مدرسه یکی از اولین چیزهایی که درباره‌ی هلیوم یاد می‌گیرید این است که در گروه گازهای نجیب قرار دارد، واکنش نمی‌دهد و مولکولی را شکل نمی‌دهد؛ با این‌حال حقیقت کمی‌ پیچیده‌تر است. وقتی جهان شکل گرفت، تنها سه عنصر در آن وجود داشتند: هیدروژن، هلیوم و ردپای کوچکی از لیتیوم.

در اولین لحظات پس از بیگ‌بنگ، هیدروژن و هلیوم با یکدیگر واکنش دادند و اولین مولکول‌های جهان موسوم به هلیوم هیدرید را تشکیل دادند. این مولکول با فرمول HeH+ حاصل اولین واکنش شیمیایی جهان بود. شاید به نظر عجیب برسد، اما هیلیوم هیدرید هنوز هم به صورت طبیعی در فضا شکل می‌گیرد، گرچه این فرآیند به شرایط صحیح نیاز دارد.

به گفته‌ی ناسا، ستاره‌شناس‌ها هلیوم را در سحابی سیاره‌ای مشاهده کردند که غبار باقی‌مانده از مرگ ستاره‌‌ای مشابه خورشید است. دانشمندان همچنین آن را در آزمایشگاه تولید کردند اما بررسی این عنصر کار دشواری است. با اینکه هلیوم می‌تواند مولکول‌ها را تشکیل دهد، تمایلی به این واکنش ندارد. هلیوم هیدرید بسیار واکنش‌دهنده است و اگر با چیزی برخورد کند به سرعت نابود می‌شود. در اولین لحظات جهان، این مولکول به سرعت ساخته و نابود می‌شد.

دلیل کمیاب بودن هلیوم روی زمین این است که سیاره‌ی ما عملکرد خوبی در حفظ آن ندارد. جاذبه‌ی زمین برای حفظ هلیوم به اندازه‌ی کافی قوی نیست، بنابراین هلیوم موجود در جو زمین به‌صورت پیوسته به داخل فضا می‌گریزد. از طرفی کل هلیومی که راه خود را به جو زمین پیدا می‌کند، به شکل بی‌بازگشتی از بین می‌رود. وقتی یک بادکنک هلیوم را می‌ترکانید، گاز موجود در آن برای همیشه از بین می‌رود و دیگر نمی‌توان آن را بازیابی کرد، در نتیجه زمین به صورت پیوسته منابع هلیومی خود را برای همیشه از دست می‌دهد.

هلیوم دارای ایزوتوپ‌های مختلفی است. ایزوتوپ به اتم‌های یکسان با تعداد متفاوت نوترون گفته می‌‌شود. اغلب هلیوم‌ها از نوع هلیوم ۴ هستند که دارای دو پروتون و دو نوترون است. هلیوم ۳ نوع رایج دیگری از هلیوم با تنها یک نوترون است. سحابی تشکیل‌دهنده‌ی خورشید و زمین، منبعی غنی از هلیوم ۳ بود و حالا همین هلیوم ۳ راه خود را به بیرون از هسته‌ی زمین پیدا می‌کند. این حقیقت که قلب زمین سرشار از هلیوم ۳ است به دانشمندان ثابت می‌کند جهان آغازین چگونه شکل گرفت.

ستاره‌شناس‌ها در طول تاریخ، اغلب از خورشید‌گرفتگی به عنوان فرصتی کمیاب برای بررسی خورشید استفاده کردند. از آنجاکه در این رویداد، بخش زیادی از نور خورشید توسط ماه مسدود می‌شود، رصد شراره‌های خورشید برای پی بردن به ماهیت آن‌ها، کار آسان‌تری خواهد بود. شراره‌های خورشیدی در طی خورشیدگرفتگی عمدتا به رنگ یاقوتی دیده می‌شوند که حاصل گاز هیدروژن است، اما می‌توان ردی از رنگ‌های دیگر را هم در آن‌ها پیدا کرد. یک شراره‌ی خورشیدی معمولاً طیفی با اثر مشخصی از خطوط دارد که هرکدام توسط عنصری خاص منتشر می‌شوند.

در سال ۱۸۶۸، گروهی از ستاره‌شناس‌های فرانسه و بریتانیا در حین رصد شراره‌های خورشیدی، چیزی غیرمنتظره را مشاهده کردند. آن‌ها خطی را رصد کردند که متناظر با هیچ عنصر شناخته‌شده‌ای نبود و آن زمان ماهیت خط به صورت یک راز باقی ماند.

چند سال بعد، نورمن لاکیر، ستاره‌شناس انگلیسی خط یادشده را مجددا مشاهده کرد. او بدون نیاز برای انتظار خورشیدگرفتگی، روشی را برای نگاه کردن به شراره‌های خورشیدی ابداع کرد و به وجود عنصری ناشناخته در آن پی برد. لاکیر نام هلیوم را برای این عنصر پیشنهاد داد که برگرفته از واژه‌ی یونانی هلیوس به معنی خورشید و خدای خورشید در اساطیر یونان است.

ستاره‌شناس‌ها، اولین افرادی بودند که هلیوم را با چشم خود رصد کردند و باور داشتند این عنصر تنها در خورشید وجود دارد. تا اینکه در سال ۱۸۸۲، لوییجی پالمیری، آتشفشان‌شناس ایتالیایی همان مقدار خط هلیومی را در حین بررسی فوران کوه وزوو مشاهده کرد. این خط اولین نشانه بر وجود عنصر هلیوم روی زمین بود و همچنین نشان می‌داد که هلیوم می‌تواند از اعماق زمین سرچشمه بگیرد.

از آن زمان به بعد، دانشمندان متوجه شدند گرمای ناشی از آتشفشان‌ها می‌تواند هلیوم به دام افتاده از سنگ‌های زیر زمین را آزاد کند. این هلیوم همراه با گازهای دیگر در طی فوران آتشفشانی و همچنین در حین فعالیت‌های زمین‌‌لرزه آزاد می‌شود. نسبت ایزوتوپ هلیوم آتشفشانی می‌تواند اطلاعاتی را درباره‌ی محل سرچشمه‌ی گدازه‌ها به متخصصین آتشفشان بدهد. وقتی آتشفشان‌ها مقدار بیشتری هلیوم آزاد کنند، معمولاً دارای هلیوم ۳ بیشتری خواهند بود که از نقاط عمیق‌تر زمین سرچشمه می‌گیرد.

پیچ‌بلند، نوعی ماده‌ی معدنی سیاه روغنی شکل و درخشان مملؤ از اورانیوم است. این ماده‌ی رادیواکتیو که با عنوان اورانیت هم شناخته می‌شود، یکی از غنی‌ترین منابع اورانیوم معدنی است. این ماده همچنین یکی از منابع طبیعی هلیوم به شمار می‌رود. با اینکه هلیوم، منبعی تجدید‌ناپذیر روی زمین به شمار می‌رود، می‌توان از طریق فروپاشی رادیو‌اکتیوی و تبدیل عنصرهای سنگین‌تر به عناصر سبک‌تر آن را تولید کرد.

یک نوع فعالیت رادیواکتیوی، فروپاشی آلفا نامیده می‌شود که طی آن اتم‌های سنگین مثل اورانیوم، ذرات انرژی آلفا از خود منتشر می‌کنند و این ذرات آلفا در واقع هسته‌های اتم‌های هلیوم به ویژه هلیوم ۴ به شمار می‌روند.

چند سال بعد، ارنست رادرفورد، فیزیک‌دان نیوزلندی تأیید کرد که ذرات آلفای آزادشده از فروپاشی رادیواکتیو در واقع هسته‌های اتم‌های هلیوم هستند. پژوهش رادرفورد متمرکز بر رادیوم بود اما مکانیزم فروپاشی آلفا برای تمام اتم‌ها یکسان است. در نتیجه فروپاشی بسیاری از عناصر رادیواکتیو در پوسته‌ی زمین به تولید هلیوم ۴ می‌انجامند.

کشتی‌های هوایی تقریبا امروزه فراموش شده‌اند، اما ایالات متحده با علم به اینکه مقدار زیادی هلیوم در زمین‌های آمریکای شمالی وجود دارد، طرح‌های بزرگی برای ساخت آن‌ها داشت. مهندسان در سال ۱۹۰۳، در حین عملیات حفاری نفتی در کانزاس با فوران گازی عظیمی روبه‌رو شدند. البته این فرآیند چندان غیرمعمول نبود، زیرا چاه‌های نفتی اغلب اوقات حاوی گاز طبیعی هستند؛ اما در این نمونه متوجه شدند گاز منتشرشده، کاملا غیرمشتعل است و به‌این ترتیب به سرنخ‌هایی از منابع هلیومی رسیدند.

خیلی زود میدان‌های هلیومی دیگری هم در دیگر ایالات‌های آمریکا مثل تگزاس، اوکلاهاما و نیومکزیکو کشف شدند. با توجه به این منبع فراوان هلیوم، ایالات‌ متحده پس از جنگ جهانی اول، مقدار زیادی از این گاز را با هدف ساخت کشتی‌های هوایی انباشته کرد.

در اوایل قرن بیستم، تعداد زیادی کشتی هوایی مثل USS Shenandoah در آمریکا ساخته شدند. این کشتی هوایی که با الهام از بمب‌افکن مرتفع آلمانی در جنگ جهانی اول ساخته شد، اولین کشتی هوایی ساخته‌شده توسط ایالات متحده و اولین کشتی هوایی هلیومی به شمار می‌رفت.

درست بیش از دو دهه بعد در سال ۱۹۲۵، دولت ایالات متحده، سازمان ذخایر ملی هلیوم را در آماریلوی تگزاس تأسیس کرد که هدف آن حفظ منابع گازی برای تأمین کشتی‌های هوایی بود که برای اهداف نظامی و تجاری به کار می‌رفتند. با اینکه کشتی‌های هوایی اغلب اوقات در تاریخ نادیده گرفته شدند، یکی از وسیله‌های ضروری برای عملیات نظامی آمریکا در طی جنگ جهانی دوم به شمار می‌رفتند چرا که هم سربازها و هم منابع را با خود حمل می‌کردند.

از آنجا که ایالات متحده هدف ساخت ناوگانی از کشتی‌های هوایی و راه‌اندازی برخی از چاه‌های هلیومی را در دنیا داشت، دولت تمایل داشت انحصار این گاز را از آن خود کند. به همین دلیل کنگره‌ی ایالات متحده در سال ۱۹۲۵، مصوبه‌ی هلیوم را تصویب کرد. بر اساس این مصوبه، صادرات هلیوم به کشورهای دیگر ممنوع شد. در نتیجه، کشورهای دیگر مجبور شدند از هیدروژن در کشتی‌های هوایی خود استفاده کنند و به این ترتیب یکی از معروف‌ترین فاجعه‌های تاریخ قرن بیستم رقم خورد.

در سال ۱۹۳۷، کشتی هوایی LZ 129 Hindenburg بزرگ‌ترین کشتی‌ هوایی دنیا به شمار می‌رفت. کشتی مجهزی برای حمل مسافر‌ها که طولانی‌ترین و بزرگ‌ترین وسیله‌ی نقلیه‌ی هوایی جهان در زمان خود بود. سرانجام در نیوجرسی حادثه‌ای برای کشتی رخ داد که کل جهان را در شوک فرو برد. این وسیله‌ نقلیه‌ هوایی در حین پرواز آتش گرفت. با اینکه هنوز بر سر علت دقیق آتش‌سوزی بحث‌های وجود دارد، به طور قطع مشتعل شدن هیدروژن داخل کشتی هوایی یکی از عوامل اصلی نابودی آن بود. خیلی زود پس از این حادثه، مردم ساخت کشتی‌های هوایی را متوقف کردند.

تاریخچه‌ی غواصی به قرن‌ها پیش بازمی‌گردد و اولین لباس‌های غواصی در سال ۱۷۷۱ ساخته شدند. با پیشرفت فناوری غواصی، افراد توانستند در نقاط عمیق‌تر به جستجو بپردازند اما این قابلیت با یک عارضه‌ی جانبی همراه بود. در سال ۱۸۲۶، غواص‌ها برای اولین بار گزارش‌هایی از احساس خلسه را در حین غواصی ارائه دادند. آلبرت بنکه، پزشک آمریکایی در سال ۱۹۳۵، دلیل این عارضه را نیتروژن عنوان کرد.

اصطلاح علمی خلسه در اعماق، بی‌حسی نیتروژنی است. به بیان ساده، تنفس نیتروژن زیر فشار بالا باعث ایجاد حس خواب‌آلودگی و تغییراتی در هوشیاری و درنتیجه ضعف در کنترل عضلات می‌شود که به‌ویژه در موقعیت‌های اعماق دریا بسیار خطرناک است.

واحد غواصی نیروی دریایی ایالات متحده در دهه‌ی ۱۹۳۰ در تلاش برای حل این مسئله، کار برای توسعه‌ی ترکیبی تنفسی برای غواصان را آغاز کرد. از آنجا که آمریکا دارای منابع فراوان هلیوم بود، کارشناسان در ترکیب تنفسی از هلیوم به‌جای نیتروژن استفاده کردند. هلیوم گازی بی‌خطر است و اثر جانبی بی‌هوش‌کننده‌ای ندارد و ترکیب‌های تنفسی هلیومی به کاررفته توسط غواص‌های نیروی دریایی، نتیجه‌ای موفقیت آمیز داشتند به گونه‌ای که امروزه هم غواص‌ها از این ترکیب استفاده می‌کنند. البته غواص‌های مدرن اغلب اوقات از ترکیبی موسوم به تریمیکس استفاده می‌کنند که ترکیب سه گاز اکسیژن، نیتروژن و هلیوم است.

هلیوم دارای خواص فیزیکی عجیبی است. این گاز تا دمای ۵ درجه بالای صفر مطلق به مایع تبدیل نمی‌شود و حتی زیر فشار جوی به حالت جامد درنمی‌آید. پیوتر لئونیدوویچ در سال ۱۹۳۸ متوجه شد در دمای نزدیک به صفر مطلق، هلیوم مایعی تقریبا فاقد چسبندگی است. یافته‌های او که در مجله‌ی نیچر منتشر شدند، برای اولین بار خاصیتی موسوم به ابرشارگی را آشکار کردند.

ابرشاره‌ها دارای خواص عجیبی مثل حرکت بدون اصطکاک و بالا رفتن از گوشه‌های ظرف هستند. دلیل این مسئله هم این است که در دماهای پایین، مکانیک کوانتوم غلبه می‌کند و باعث می‌شود آثار آن حتی در مقیاس ماکروسکوپی هم احساس شوند. مطالعه‌ی هلیوم ابرشاره دیدگاه‌هایی را در اختیار فیزیکدان‌ها قرار داد که دستیابی به آن‌ها به شیوه‌ای دیگر غیرممکن بود.

رفتار عجیب هلیوم، رابطه‌ی نزدیکی با چگالش بوز اینشتین داشت که یکی از حالت‌های غیررایج ماده فراتر از سه استاندارد جامد، مایع و گاز است. این حالت‌ها تحت شرایط بسیار سرد شکل می‌گیرند؛ یعنی زمانی که مایع دیگر مانند مجموعه‌ی اتم‌ها رفتار نمی‌کند و مانند یک ابراتم واحد عمل می‌کند. هلیوم ابرشاره دارای ویژگی‌های مشابهی است اما دقیقا با آن یکسان نیست. در سال ۱۹۹۵، فیزیکدان‌ها موفق به ساخت چگالش بوز اینشتین در آزمایشگاه شدند.

در جریان جنگ سرد، ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی در رقابتی فضایی سعی داشتند برتری فناوری خود را به یکدیگر ثابت کنند. از آنجا که هر دو کشور روی ساخت بزرگ‌ترین موشک‌هایشان کار می‌کردند، هلیوم به بخشی حیاتی از سیستم‌های پیشرانه‌ی موشکی تبدیل شد.

هلیوم برای فشرده‌سازی مخازن سوخت مایع در موشک‌ها به کار می‌رفت. در حین پرتاب، گاز هلیوم منبع پایدار سوختی برای موتورهای موشک بود. هرچقدر موشکی بزرگ‌تر می‌شد، مخزن‌های سوختی آن هم بزرگ‌تر می‌شدند و هلیوم بیشتری لازم بود. وقتی ناسا موشک‌های بزرگ ساترن ۵ را برای ارسال فضانوردها به ماه ساخت، به مقدار عظیمی هلیوم نیاز داشت.

هلیوم در سیستم‌‌های پیشران موشکی عملکرد خوبی داشت و سازمان‌های فضایی حتی پس از پایان رقابت فضایی هم از این گاز استفاده می‌کردند. وقتی ناسا، اولین شاتل فضایی را در دهه‌ی ۱۹۸۰ پرتاب کرد، از سیستم هلیومی در مخزن‌های سوخت خود استفاده کرد. هلیوم علاوه بر حفظ فشار مخزن‌ها برای پاکسازی لوله‌های سوختی از هیدروژن نسوخته یا دیگر سوخت‌های موشکی هم مفید بود. سیستم‌های مشابه امروز هنوز ساخته و تولید می‌شوند.

هلیوم ۴ و هلیوم ۳ دو نمونه از رایج‌ترین ایزوتوپ‌های هلیوم هستند. البته هلیوم ۳ کمتر رایج است. نکته‌ی جذاب درباره‌ی هلیوم ۳ این است که سوخت بسیار خوبی برای رآکتورهای همجوشی هسته‌ای به شمار می‌رود. همجوشی هلیوم ۳، دارای خروجی انرژی خوبی است و از نظر تئوری می‌توان از آن برای ساخت رآکتورهای همجوشی بسیار بهینه استفاده کرد که تقریبا فاقد ضایعات یا رادیواکتیو خطرناک هستند.

به نقل از سازمان فضایی اروپا، بادهای خورشیدی به صورت پیوسته با سطح ماه برخورد می‌کنند و با خود هلیوم ۳ حمل می‌کنند و استخراج هلیوم می‌تواند منبعی خوب برای رآکتورهای همجوشی آینده باشد. این فرضیه همچنین در فیلم‌های علمی تخیلی مثل ماه (۲۰۰۹) دیده می‌شود و ممکن است روزی به دنیای واقعی برسد. در حال حاضر همجوشی هسته‌ای هنوز هم فناوری نوظهوری به شمار می‌رود با این حال دانشمندان سخت در تلاش هستند تا رآکتورهای بهینه‌ای را تولید کنند. هلیوم ۳ می‌تواند بهترین سوخت برای رآکتورها باشد.

هلیوم کمیاب‌تر از آن چیزی است که اغلب افراد تصور می‌کنند و هلیومی که وارد جو زمین شود برای همیشه از بین رفته است. به همین دلیل، جنبشی برای محافظت و پیشگیری از اتلاف هلیوم وجود دارد. قانونی که در سال ۱۹۹۶ تصویب شد این گاز را به‌قدری ارزان کرد که تلاش برای بازیافت آن عملا ارزش صرف هزینه را نداشت؛ بنابراین چند دانشمند برجسته به‌ویژه برندگان جایزه‌ی نوبل مثل رابرت ریچاردسون، استاد فیزیک دانشگاه کرنل جنبشی را برای حفاظت از هلیوم تأسیس کردند.

هلیوم امروزه یکی از گازهای ضروری صنایع مدرن از هواپیماها تا ماهواره‌های مدار و فناوری پردازش تصویر پزشکی بیمارستان‌ها است. اگر اقدامی برای محافظت از هلیوم صورت نگیرد، منابع زمینی به سرعت خالی می‌شوند و در طول یک نسل چیزی باقی نخواهد ماند.

مجله‌ی نیچر در سال ۲۰۱۲ مقاله‌ای را با عنوان «هدر دادن هلیوم را متوقف کنید» منتشر کرد. در این مقاله بر کمبود مضاعف هلیوم در دنیا و در عین حال تقاضای بالا برای آن تأکید شد. مؤلفان پیشنهاد سازمان بین‌المللی هلیوم را برای قانون‌گذاری بهتر درباره‌ی آن و همچنین درنظر گرفتن این گاز به عنوان منبعی ارزشمند پیشنهاد دادند. شاید در این صورت با هلیوم بهتر رفتار کنیم.