Введення
Гелій - інертний газ. Змусити його вступити в які-небудь реакції поки не вдалося. Молекула гелію одноатомна. По легкості цей газ поступається тільки водню, повітря в 7,25 рази важче гелію. Гелій майже не розчинимо у воді й інших рідинах. І точно так само в рідкому гелії помітно не розчиняється жодна речовина. Твердий гелій не можна одержати ні при яких температурах, якщо не підвищувати тиск.
В історії відкриття, дослідження й застосування цього елемента зустрічаються імена багатьох великих фізиків і хіміків різних країн. Гелієм цікавилися, з гелієм працювали: Жансен (Франція), Локьер, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англія), Пальмієрі (Італія), Кеєзом, Камерлінг-Оннес (Голландія), Фейнман, Онсагер (США), Капіца, Кікоїн, Ландау ( Радянський Союз) і багато інших великих учених.
Неповторність вигляду атома гелію визначається сполученням у ньому двох дивовижних природних конструкцій - абсолютних чемпіонів з компактності й міцності. У ядрі гелію, гелію-4, насичені обидві внутрішньоядерні оболонки - і протонна, і нейтронна. Електронний дублет, що оточує це ядро, теж насичений. У цих конструкціях - ключ до розуміння властивостей гелію. Звідси виникають і його феноменальна хімічна інертність і рекордно малі розміри його атома.
Величезна роль ядра атома гелію - альфа частки в історії становлення та розвитку ядерної фізики. Саме вивчення розсіювання альфа часток привело Резерфорда до відкриття атомного ядра. При бомбардуванні азоту альфа частками було вперше здійснене взаємоперетворення елементів - те, про що століттями мріяли багато поколінь алхіміків. Щоправда, у цій реакції не ртуть перетворилася в золото, а азот у кисень, але це зробити майже так само важко. Ті ж альфа частки виявилися причетні до відкриття нейтрона й одержанню першого штучного ізотопу. Пізніше за допомогою альфа часток були синтезовані кюрій, берклій, каліфорній.
Земний гелій
Гелій - елемент незвичайний, і історія його незвичайна. Він був відкритий в атмосфері Сонця на 13 років раніше, ніж на Землі. Точніше кажучи, у спектрі сонячної корони була відкрита яскраво-жовта лінія D, а що за нею ховалося, стало достеменно відомо лише після того, як гелій витягли із земних мінералів, що містять радіоактивні елементи.
Гелій на Сонці відкрили француз Ж. Жансен, який проводив свої спостереження в Індії 19 серпня 1868, і англієць Дж.H. Локьер - 20 жовтня того ж року. Листи обох учених прийшли в Париж в один день і були зачитані на засіданні Паризької Академії наук 26 жовтня з інтервалом у кілька хвилин. Академіки, уражені настільки дивним збігом, прийняли постанову вибити на честь цієї події золоту медаль.
У 1881 р. Про відкриття гелію у вулканічних газах повідомив італійський учений Пальмієрі. Однак його повідомлення, згодом підтверджене, мало хто із учених прийняв всерйоз. Удруге земний гелій був відкритий Рамзаєм в 1895 р.
У земній корі налічується 29 ізотопів, при радіоактивному розпаді яких утворяться альфа частки - високоактивні, що володіють великою енергією ядра атомів гелію.
В основному земний гелій утвориться при радіоактивному розпаді урану-238, урану-235, торію й нестабільних продуктів їхнього розпаду. Незрівнянно менші кількості гелію дає повільний розпад самарію-147 і вісмуту. Всі ці елементи породжують тільки важкий ізотоп гелію - 4Не, чиї атоми можна розглядати як останки альфа часток, поховані в оболонці із двох спарених електронів - в електронному дублеті. У ранні геологічні періоди, імовірно, існували й інші, що вже зникли з лиця Землі, природно радіоактивні ряди елементів, що насичували планету гелієм. Одним з них був нині штучно відтворений нептунієвий ряд.
По кількості гелію, замкнутого в гірській породі або мінералі, можна судити про їхній абсолютний вік. В основі цих вимірів лежать закони радіоактивного розпаду: так, половина урану-238 за 4,52 млрд. років перетворюється в гелій і свинець.
Гелій у земній корі накопичується повільно. Одна тонна граніту, що містить 2 г урану і 10 г торію, за мільйон років продукує усього 0,09 мг гелію - половину кубічного сантиметра. У далеко не всіх багатих ураном і торієм мінералах зміст гелію досить великий - кілька кубічних сантиметрів гелію на грам. Однак частка цих мінералів у природному виробництві гелію близька до нуля, тому що вони дуже рідкісні.
Природні сполуки, у складі яких є альфа активні ізотопи, - це тільки першоджерело, але не сировина для промислового одержання гелію. Правда, деякі мінерали, що володіють щільною структурою - самородні метали, магнетит, гранат, апатит, циркон й інші, - міцно втримують ув'язнений у них гелій. Однак більшість мінералів із часом піддаються процесам вивітрювання, перекристалізації й т.д., і гелій з них іде.
Вивільнилися із кристалічних структур гелієві бульбашки відправляються в подорож по земній корі. Дуже незначна частина їх розчиняється в підземних водах. Для утворення більш-менш концентрованих розчинів гелію потрібні особливі умови, перш за все великі тиску. Інша частина гелію, що кочує, через пори й тріщини мінералів виходить в атмосферу. Інші молекули газу попадають у підземні пастки, в яких нагромаджуються протягом десятків, сотень мільйонів років. Пастками служать шари пухких порід, порожнечі яких заповнюються газом. Ложем для таких газових колекторів звичайно служать вода й нафта, а зверху їх перекривають газонепроникні товщі щільних порід.
Тому що в земній корі мандрують й інші гази (головним чином метан, азот, вуглекислота), і притім у набагато більших кількостях, то чисто гелієвих скупчень не існує. Гелій у природних газах присутній як незначна домішка. Зміст його не перевищує тисячних, сотих, рідко - десятих часток відсотка. Велика (1,5 ... 10%) геліємісність метано-азотних родовищ - явище вкрай рідкісне.
Природні гази виявилися практично єдиним джерелом сировини для промислового одержання гелію. Для відділення від інших газів використають виняткову летючість гелію, пов'язану з його низькою температурою скраплення. Після того як всі інші компоненти природного газу сконденсуються при глибокому охолодженні, газоподібний гелій відкачують. Потім його очищають від домішок. Чистота заводського гелію досягає 99,995%.
Запаси гелію на Землі оцінюються в 5.1014 м3; судячи ж за обчисленнями, його накопичилось в земній корі за 2 млрд. Років в десятки разів більше. Таке розходження теорії з практикою можна пояснити. Гелій - легкий газ и, подібно водню (хоч і повільніше), не розлітається з атмосфери в світовий простір. Ймовірно, за час існування Землі гелій нашої планети неодноразово оновлювався - старий розсіювався в космос, а замість нього в атмосферу потрапляв свіжий - «видихається» Землею.
У літосфері гелію щонайменше в 200 тис. разів більше, ніж в атмосфері; ще більше потенційного гелію зберігається в «утробі» Землі - в альфа активних елементах. Але загальний зміст цього елемента в Землі й атмосфері невеликий. Гелій - рідкий газ. На 1 кг земного матеріалу доводиться всього 0,003 мг гелію, а зміст його в повітрі - 0,00052 об'ємного відсотка. Настільки мала концентрація не дозволяє поки економно витягати гелій з повітря.
Гелій у Всесвіті
Надра і атмосфера нашої планети бідні гелієм. Але це не означає, що його мало всюди у Всесвіті. За сучасними підрахунками 76% космічної маси припадає на водень і 23% на гелій; на всі інші елементи залишається тільки 1%! Таким чином, світову матерію можна назвати воднево-гелієвої. Ці два елементи панують у зірках, планетарних туманностях і міжзоряному газі.
Ймовірно, всі планети сонячної системи містять радіогенний (утворився при альфа розпаді) гелій, а великі - і реліктовий гелій з космосу. Гелій рясно представлений в атмосфері Юпітера: за одними даними його там 33%, за іншими - 17%. Це відкриття лягло в основу сюжету одного з оповідань відомого вченого і письменника-фантаста А. Азімова. У центрі оповідання - план (можливо, здійсненний в майбутньому) доставки гелію з Юпітера, а то й закидання на найближчий супутник цієї планети - Юпітер V - армади кібернетичних машин на КРІОТРОНАХ (про них - нижче). Занурившись у рідкий гелій атмосфери Юпітера (наднизькі температури і надпровідність - необхідні умови для роботи кріотронів), ці машини перетворять Юпітер V у мозковий центр сонячної системи ...
Походження зоряного гелію було пояснено в 1938 р. німецькими фізиками Беті і Вейцзекером. Пізніше їх теорія отримала експериментальне підтвердження і уточнення з допомогою прискорювачів елементарних частинок. Суть її в наступному.
Ядра гелію синтезуються при зоряних температурах з протонів в результаті термоядерних процесів, що вивільняє 175 млн кіловат-годин енергії на кожен кілограм гелію.
Різні цикли реакцій можуть призвести до синтезу гелію
В умовах не дуже гарячих зірок, таких, як наше Сонце, переважає, мабуть, протонно-протонний цикл. Він складається з трьох послідовно змінюються перетворень. Спочатку з'єднуються на величезних швидкостях два протони з утворенням дейтрона - конструкції з протона і нейтрона; при цьому відокремлюються позитрон і нейтрино. Далі з'єднуються дейтрона з протоном в легкий гелій з випусканням гамма кванта. Нарешті, реагують два ядра 3Не, перетворюючись в альфа частку і два протони. Альфа-частинки, обзавівшись двома електронами, стане потім атомом гелію.
Той же кінцевий результат дає більш швидкий вуглецево-азотний цикл, значення якого в умовах Сонця не дуже велике, але на більш гарячих, ніж Сонце, зорі роль цього циклу посилюється. Він складається з шести ступенів - реакцій. Вуглець грає тут роль каталізатора процесу злиття протонів. Енергія, що виділяється в ході цих перетворень, така ж, як і при протонно-протонному циклі - 26,7 МеВ на один атом гелію.
Реакція синтезу гелію - основа енергетичної діяльності зірок, їх світіння. Отже, синтез гелію можна вважати прабатьком всіх реакцій у природі, першопричиною життя, світла, тепла і метеорологічних явищ на Землі.
Гелій не завжди буває кінцевим продуктом зоряних синтезів. За теорією професора Д.А. Франк-Каменецького, при послідовному злиття ядер гелію утворюються 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, а захоплення цими ядрами протонів призводить до виникнення інших ядер. Для синтезу ядер важких елементів аж до трансуранових потрібні виняткові надвисокі температури, які розвиваються на нестійких «нових» і «наднових» зірках.
Відомий радянський хімік А.Ф. Капустинський називав водень і гелій протоелементамі - елементами первинної матерії. Чи не в цій первинності приховано пояснення особливого становища водню і гелію в періодичній системі елементів, зокрема того факту, що перший період по суті позбавлений періодичності, характерною для інших періодів?
Най, най ...
Атом гелію (він же молекула) - міцний з молекулярних конструкцій. Орбіти двох його електронів абсолютно однакові і проходять гранично близько від ядра. Щоб оголити ядро гелію, потрібно затратити рекордно велику енергію - 78,61 МеВ. Звідси - феноменальна хімічна пасивність гелію.
За останні 15 років хімікам вдалося отримати більше 150 хімічних сполук важких шляхетних газів. Однак інертність гелію залишається, як і раніше, поза підозрою.
Обчислення показують, що якби і був знайдений шлях отримання, скажімо фториду або оксиду гелію, то при утворенні вони поглинули б так багато енергії, що отримані молекули були б «підірвані» цією енергією зсередини.
Молекули гелію неполярні. Сили міжмолекулярної взаємодії між ними вкрай невеликі - менше, ніж у будь-якому іншому речовині. Звідси - найнижчі значення критичних величин, найнижча температура кипіння, найменші теплоти випаровування і плавлення. Що стосується температури плавлення гелію, то при нормальному тиску її взагалі немає. Рідкий гелій при скільки завгодно близької до абсолютного нуля температурі не твердне, якщо, крім температури, на нього але діє тиск в 25 або більше атмосфер. Другого такого речовини в природі немає.
Немає також іншого газу, настільки мізерно розчинного в рідинах, особливо полярних, і так мало схильного до адсорбції, як гелій. Це найкращий серед газів провідник електрики і другий, після водню, провідник тепла. Його теплоємність дуже велика, а в'язкість мала.
Вражаюче швидко проникає гелій крізь тонкі перегородки з деяких органічних полімерів, порцеляни, кварцового і боросилікатного скла. Цікаво, що крізь м'яке скло гелій дифундує в 100 разів повільніше, ніж крізь боросилікатне. Гелій може проникати і через багато метали. Повністю непроникні для нього лише залізо і метали платинової групи, навіть розпечені.
На принципі виборчої проникності заснований новий метод вилучення чистого гелію з природного газу.
Винятковий інтерес проявляють вчені до рідкого гелію. По-перше, це найхолодніша рідина, в якій до того ж не розчиняється помітно жодна речовина. По-друге, це найлегша з рідин з мінімальною величиною поверхневого натягу.
При температурі 2,172 ° К відбувається стрибкоподібне зміна властивостей рідкого гелію. Настає різновид умовно названа гелієм II. Гелій II кипить зовсім не так, як інші рідини, він не вирує при кипінні, поверхня його залишається абсолютно спокійною. Гелій II проводить тепло в 300 млн разів краще, ніж звичайний рідкий гелій (гелій I). В'язкість гелію II практично дорівнює нулю, вона в тисячу разів менше в'язкості рідкого водню. Тому гелій II має надтекучість - здатністю витікати без тертя через капіляри як завгодно малого діаметру.
Інший стабільний ізотоп гелію 3Не переходить в надтекучий стан при температурі, яка відступає від абсолютного куля всього на соті частки градусів. Надплинні гелій-4 і гелій-3 називають квантовими рідинами: у них виявляються квантово-механічні ефекти ще до їх тужавіння. Цим пояснюється досить детальна вивченість рідкого гелію. Та й виробляють його нині чимало - сотні тисяч літрів на рік. А ось твердий гелій майже не вивчений: великі експериментальні труднощі дослідження цього самого холодного тіла. Безперечно, пробіл цей буде заповнений, так як фізики чекають багато нового від пізнання властивостей твердого гелію: адже він теж квантове тіло.
Інертний, але дуже потрібний
В кінці минулого століття англійський журнал «Панч» помістив карикатуру, на якій гелій був зображений хитро підморгує чоловічком - жителем Сонця. Текст під малюнком був такий: «Нарешті-то мене спіймали і на Землі! Це тривало досить довго! Цікаво знати, скільки часу пройде, поки вони здогадаються, що робити зі мною? »
Дійсно, пройшло 1934 з дня відкриття земної гелію (перше повідомлення про це було опубліковано в 1881 р.), перш ніж він знайшов практичне застосування. Певну роль тут відіграли оригінальні фізико-технічні, електричні і в меншій мірі хімічні властивості гелію, що зажадали тривалого вивчення. Головними ж перешкодами були неуважність і висока вартість елемента № 2.
Першими гелій застосували німці. У 1915 р. вони стали наповнювати їм свої дирижаблі, бомбили Лондон. Незабаром легкий, але негорючий гелій став незамінним наповнювачем повітроплавних апаратів. Що почався в середині 30-х років занепад дирижаблебудування спричинив деякий спад у виробництві гелію, але лише на короткий час. Цей газ все більше привертав до себе увагу хіміків, металургів і машинобудівників.
Багато технологічні процеси і операції не можна вести в повітряному середовищі. Щоб уникнути взаємодії одержуваного речовини (або вихідної сировини) з газами повітря, створюють спеціальні захисні середовища, і немає для цих цілей більш відповідного газу, ніж гелій.
Інертний, легкий, рухливий, добре проводить тепло гелій - ідеальний засіб для передавлювання з однієї ємності в іншу легко займистих рідин і порошків; саме ці функції виконує він в ракетах і керованих снарядах. У гелієвої захисному середовищі проходять окремі стадії отримання ядерного пального. У контейнерах, заповнених гелієм, зберігають і транспортують тепловиділяючі елементи ядерних реакторів.
За допомогою особливих течошукачів, дія яких заснована на винятковій дифузійної здатності гелію, виявляють найменші можливості витоку в атомних реакторах та інших системах, що знаходяться під тиском або вакуумом.
Останні роки ознаменовані повторним підйомом дирижаблебудування, тепер на більш високій науково-технічній основі. У ряді країн побудовані і будуються дирижаблі з гелієвим наповненням вантажопідйомністю від 100 до 3000 т. Вони економічні, надійні і зручні для транспортування великогабаритних вантажів, таких, як батоги газопроводів, нафтоочищувальні установки, опори ліній електропередач і т.п. Наповнення з 85% гелію і 15% водню огнебезопасность і лише на 7% знижує підйомну силу в порівнянні з водневим наповненням.
Почали діяти високотемпературні ядерні реактори нового типу, в яких теплоносієм є гелій.
У наукових дослідженнях і в техніці широко застосовується рідкий гелій. Наднизькі температури сприяють поглибленому пізнанню речовини і його будови - при більш високих температурах тонкі деталі енергетичних спектрів маскуються тепловим рухом атомів.
Вже існують надпровідні соленоїди з особливих сплавів, створюють при температурі рідкого гелію сильні магнітні поля (до 300 тис. ерстед) при незначних витратах енергії.
При температурі рідкого гелію багато метали і сплави стають надпровідниками. Надпровідникових реле - кріотрони все ширше застосовуються в конструкціях електронно-обчислювальних машин. Вони прості, надійні, дуже компактні. Надпровідники, а з ними і рідкий гелій стають необхідними для електроніки. Вони входять до конструкції детекторів інфрачервоного випромінювання, молекулярних підсилювачів (мазерів), оптичних квантових генераторів (лазерів), приладів для вимірювання надвисоких частот.
Звичайно, цими прикладами не вичерпується роль гелію в сучасній техніці. Але якщо б не обмеженість природних ресурсів, не крайня неуважність гелію, він знайшов би ще безліч застосувань. Відомо, наприклад, що при консервуванні в середовищі гелію харчові продукти зберігають свій первісний смак і аромат. Але «гелієві» консерви поки залишаються «річчю в собі», тому що гелію не вистачає і застосовують його лише в найважливіших галузях промисловості і там, де без нього ніяк не обійтися. Тому особливо прикро усвідомлювати, що з пальним природним газом через апарати хімічного синтезу, топки і печі проходять і йдуть в атмосферу набагато більші кількості гелію, ніж ті, що добуваються з геліємісність джерел.
Зараз вважається вигідним виділяти гелій тільки в тих випадках, якщо його вміст у природному газі не менше 0,05%. Запаси такого газу весь час зменшуються, і не виключено, що вони будуть вичерпані ще до кінця нашого століття. Однак, проблема «гелієвої недостатності» до цього часу, ймовірно, буде вирішена - частково за рахунок створення нових, більш досконалих методів розділення газів, витяги з них найбільш цінних, хоч і незначних за обсягом фракцій, і частково завдяки керованого термоядерного синтезу. Гелій стане важливим, хоча і побічним, продуктом діяльності «штучних сонць».
Ізотопи гелію
У природі існують два стабільні ізотопи гелію: гелій-3 і гелій-4. Легкий ізотоп поширений на Землі в мільйон разів менше, ніж важкий. Це найрідкісніший із стабільних ізотопів, що існують на нашій планеті. Штучним шляхом отримані ще три ізотопи гелію. Всі вони радіоактивні. Період напіврозпаду гелію-5 - 2,4 · 10-21 секунди, гелію-6 - 0,83 секунди, гелію-8 - 0,18 секунди. Самий важкий ізотоп, цікавий тим, що в його ядрах на один протон припадає три нейтрона, вперше підучивши в Дубні в 60-х роках. Спроби отримати гелій-10 поки були невдалі.
Останній твердий газ
У рідкий і твердий стан гелій був переведений самим останнім з усіх газів. Особливі складнощі скраплення і затвердіння гелію пояснюються будовою його атома і деякими особливостями фізичних властивостей. Зокрема, гелій, як і водень, при температурі вище - 250 ° C, розширюючись, не охолоджується, а нагрівається. З іншого боку, критична температура гелію вкрай низька. Саме тому рідкий гелій вперше вдалося отримати лише 1908, а твердий - в 1926 р.
Гелієвий повітря
Повітря, в якому весь азот або більша його частина замінена гелієм, сьогодні вже не новина. Його широко використовують на землі, під землею та під водою.
Гелієвий повітря втричі легше і набагато більш рухливими звичайного повітря. Він активніше поводиться в легенях - швидко підводить кисень і швидко евакуює вуглекислий газ. Ось чому гелієвий повітря дають хворим при розладах дихання і деяких операціях. Він знімає задухи, лікує бронхіальну астму та захворювання гортані.
Дихання гелієвим повітрям практично виключає азотну емболію (кесонну хвороба), якої при переході від підвищеного тиску до нормального схильні водолази і фахівці інших професій, робота яких проходить в умовах підвищеного тиску. Причина цієї хвороби - досить значна, особливо при підвищеному тиску, розчинність азоту в крові. У міру зменшення тиску він виділяється у вигляді газових бульбашок, які можуть закупорити кровоносні судини, пошкодити нервові вузли ... На відміну від азоту, гелій практично не розчиняється у рідинах організму, тому він не може бути причиною кесонної хвороби. До того ж гелієвий повітря виключає виникнення «азотного наркозу», зовні схожого з алкогольним сп'янінням.
Рано чи пізно людству доведеться навчитися подовгу жити і працювати на морському дні, щоб серйозно скористатися мінеральними та харчовими ресурсами шельфу. А на великих глибинах, як показали досліди радянських, французьких та американських дослідників, гелієвий повітря поки незамінний. Біологи довели, що тривале дихання гелієвим повітрям не викликає негативних зрушень в людському організмі і не загрожує змінами в генетичному апараті: гелієва атмосфера не впливає на розвиток клітин і частоту мутацій. Відомі роботи, автори яких вважають гелієвий повітря оптимальної повітряним середовищем для космічних кораблів, що здійснюють тривалі польоти у Всесвіт. Але поки за межі земної атмосфери штучний гелієвий повітря ще не піднімався.
Гелій у скафандрі
У космобіологів вже давно склалося переконання, що немає і не може бути газового середовища, яка була б однаково хороша для будь-яких умови космічного польоту. «Земний» повітря - не виняток. Його достоїнства самоочевидні, саме вони - причина того, що атмосфера у всіх наших «Сходу», «Схід» і «Союзах» складалася з звичайного повітря. Але в деяких умовах звичайний і звичний земний повітря може з одного перетворитися на ворога або не дуже надійного друга ...
Вже при польоті до Місяця на космічний корабель впливають три джерела радіації: випромінювання радіаційних поясів Землі, галактичне космічне випромінювання і корпускулярне випромінювання сонячних спалахів. Передбачити інтенсивність останнього практично неможливо. Навіть при надійному захисті корабля звичайне повітря в цих умовах може стати джерелом вторинної - наведеної радіації. Точніше, джерелом стануть атоми азоту, з якого атмосфера корабля складається майже на 80%. З цієї ситуації може бути лише два виходи: або набагато ускладнювати і обважнювати засоби радіаційного захисту, або створювати всередині корабля атмосферу, в якій неможливе виникнення наведеної радіації.
В аварійній ситуації може виявитися й інший «мінус» звичайного повітря. Космічний політ проходить в умовах глибокого вакууму. При випадковому непередбаченої розгерметизації корабля космонавт піддасться відразу декільком небезпекам. Від багатьох з них, в тому числі і від гострого кисневого голодування, його захистить скафандр. Але чи будуть учасники тривалих космічних польотів постійно перебувати в скафандрах?!
Нарешті, третій недолік звичайного повітря як середовища проживання космонавтів полягає в тому, що ця газова суміш - далеко не найлегша. Власне, не так важкий саме повітря. Від заміни його навіть воднем (уявімо на хвилину, що це можливо) вага корабля помітно не зміниться. Але адже повітря, яким дихають космонавти, треба постійно регенерувати. Циркуляція і вентиляція вимагають витрат енергії. Чим легше газ, тим легше вентиляційні пристрої, тим менше вага джерел енергії.
Звичайно, природні гідності земного повітря з лишком перекривають ці мінуси, але не рахуватися з ними не можна - питання-то гамлетівське: бути чи не бути. Тому не припиняються пошуки та дослідження інших варіантів повітряного середовища, придатної для життя в космосі. І якщо без кисню ніяк не обійдешся, то азот повітря, не грає в життєво важливих процесах великої ролі, може бути вилучений або замінений.
У вітчизняній і зарубіжній науковій літературі фігурують п'ять реальних варіантів газового середовища для кабін космічних кораблів. Перший - звичайне повітря: 78% Na, 21% Oz; 1% - все інше: водень, інертні гази, СоА та інші. Другий, третій і четвертий варіанти передбачають повне або часткове видалення зі звичайного повітря баластного азоту. Але, як відомо, чистим киснем довго дихати не можна. Щоб уникнути кисневого отруєння, тиск в кабіні знижується (людині в космічному скафандрі це зниження тиску, природно, нічим не загрожує), так що парціальний тиск кисню залишається таким же, як у нормальних умовах.
Газове середовище, звільнена від азоту, дозволяє істотно зменшити вагу кабін. Саме таке середовище була в кабінах американських космічних кораблів «Меркурій», «Джеміні», «Аполлон».
У дослідах, поставлених в нашій країні, були підтверджені майже всі достоїнства атмосфери зниженого тиску. Їй справді не властиві недоліки природного повітряного середовища. Але в неї свої мінуси. По-перше, в сильно розрідженій атмосфері не можна перебувати без скафандра або з відкритим скафандром. По-друге, і при низькому тиску чистий кисень все-таки дратує верхні дихальні шляхи. По-третє, в атмосфері чистого кисню, та ще при зниженому тиску, набагато збільшується ймовірність пожежі. Значить, потрібно передбачати на борту якусь техніку пожежної безпеки, а вона теж щось важить ...
І, нарешті, п'ятий варіант-атмосфера, в якій весь азот замінений гелієм.
Теоретично передумови для такої заміни були обнадійливими. Феноменальна хімічна пасивність гелію мала гарантувати незмінність напряму і характеру біохімічних реакцій організму.
Проте всі ці викладки потрібно було підтвердити дослідами.
У камеру, заповнену геліо-кисневою сумішшю, помістили кілька білих мишей. Тварини отримували нормальний корм, воду; незвичайний повітря ретельно регенерували. За мишами вели постійне спостереження. Експеримент тривав більше п'ятдесяти днів. Жодних суттєвих змін у поведінці та життєдіяльності тварин не спостерігалося. У ході досвіду не загинула жодна миша, навпаки, в однієї з них народилися мишенята, і населення камери збільшилася. Після закінчення досвіду досліджували тканини і органи тварин, довгий час перебували або навіть народилися в геліо-кисневої середовищі, але ніяких змін, причиною яких міг бути гелій, виявлено не було.
Інша важлива властивість гелію як замінника азоту - міцність і компактність його молекул. Є всі підстави вважати, що в геліо-кисневої середовищі небезпека наведеної радіації практично виключена. Розчинність гелію в крові, сечі, лімфі і особливо жирах набагато менше, ніж азоту. Це зменшує небезпеку декомпресійних розладів при різких перепадах тиску. Не випадково геліо-кисневі суміші стали надійним засобом профілактики кесонної хвороби і дали великий виграш за часом при підйомі водолазів.
І плюс до всього гелій набагато легше азоту.
Дані багатьох дослідів на тваринах і з участю людини були за гелієвий повітря. Але всі досліди на людях були короткочасні. Як позначиться на людині довге перебування в геліо-кисневої середовищі? Точну відповідь на це питання дали проведені кілька років тому досліди радянських біологів професора А. Г. Кузнєцова та кандидата медичних наук А. Г. Діанова. Було проведено два експерименти тривалістю один-22, інший-30 днів, в яких брали участь молоді, абсолютно здорові люди. Перші два дні герметична камера була заповнена звичайним повітрям. За цей час медики зняли фонові дані. На третій день відбулася зміна середовища проживання. Спочатку камеру провентилювати чистим медичним киснем, який не тільки витіснив азот, а й «вимив» цей газ з організму учасника досвіду. Коли концентрація кисню в повітрі камери досягла 97%, його подачу припинили і почали подавати гелій. У цей жедень в камері встановилася атмосфера приблизно такого складу: 22,5% O2, 76% Не та 1,5% N2. Все інше-харчування, режим, одяг - залишилося незмінним.
У перші ж години перебування випробувача в геліо-кисневої середовищі було зареєстровано цікаве явище. Повідомляючи про самопочуття він сказав, що все в порядку. Мова його була цілком розбірливою, але голос невпізнанно змінився. Замість звичного баритона чувся високий, майже хлоп'ячий тенорок.
Подібні зміни голосу, правда не настільки різкі, спостерігалися і у водолазів. Пояснюється це різницею у швидкості поширення звукових коливань у різних середовищах, в результаті чого звуковий спектр може зміститися майже на цілу октаву.
Минуло ще кілька годин і випробувач повідомив, що в камері похолодало. Однак термометр не показував зміни температури - змінилися тепловідчуття випробувача. Висока теплопровідність гелію зрушила зону температурного комфорту. В умовах звичайного повітря ця зона-18-24 ° С; в «гелієвій» повітрі-24,5-27,5 ° С вдень, коли випробувач не спить, і 26-29 ° С вночі. Надалі досвід проходив в умовах комфортної температури. Всі дні ні на хвилину не припинялися спостереження, бралися проби, але ніяких істотних відхилень в самопочутті, поведінці, працездатності випробувача, крім тих двох, що були помічені в самому початку досліду, виявити не вдалося.
Головним недоліком гелієвого повітря виявилася все та ж підвищена теплопровідність. В умовах розігріву оболонки корабля гелієвий повітря може не охолоджувати, а перегрівати організм (при температурі середовища вище 36 - 37 ° С. При менших же температурах вентилювати космічний скафандр гелієвим повітрям технічно вигідніше, ніж звичайним.
Під час польотів всіх радянських космонавтів у їх кораблях підтримувалася «атмосфера № I» - звичайне повітря, земне тиск, нормальна вологість. Але це не означає, що у всіх подальших польотах буде використовуватися тільки така атмосфера. У гелієвого повітря є хороші шанси злітати в космос.
Властивості гелію
Газоподібний гелій - інертний газ без кольору, запаху і смаку. Рідкий гелій - безбарвна рідина без запаху з температурою кипіння при нормальному атмосферному тиску 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (мінус 268,9 ° С) і щільністю 124,9 кг/м3.
Гелій не токсичний, не горючий, не вибухонебезпечний, однак при високих концентраціях у повітрі викликає стан кисневої недостатності і задуха. Рідкий гелій - низькокипляча рідина, яка може викликати обмороження шкіри і ураження слизової оболонки очей.
Атом гелію (він же молекула) - міцний з молекулярних конструкцій. Орбіти двох його електронів абсолютно однакові і проходять гранично близько від ядра. Щоб оголити ядро гелію, потрібно затратити рекордно велику енергію (78,61 еВ). Звідси випливає феноменальна хімічна пасивність гелію.
Молекули гелію неполярні. Сили міжмолекулярної взаємодії між ними вкрай невеликі - менше, ніж у будь-якому іншому речовині. З цієї причини гелій володіє самими низькими значеннями критичних величин, найнижчою температура кипіння, найменшою теплотою випаровування і плавлення. Що стосується температури плавлення гелію, то при нормальному тиску її взагалі немає. Рідкий гелій при скільки завгодно близької до абсолютного нуля температурі не твердне, якщо, крім температури, на нього не діє тиск в 25 або більше атмосфер. Другого такого речовини в природі немає. Це найкращий серед газів провідник електрики і другий, після водню, провідник тепла. Його теплоємність дуже велика, а в'язкість, навпаки, мала.
Гелій, дирижаблі, водолази та ядерна енергетика ...
Вперше гелій застосували в Німеччині. У 1915 році вони німці стали наповнювати їм свої дирижаблі, бомбили Лондон. Незабаром легкий, але негорючий гелій став незамінним наповнювачем повітроплавних апаратів. Що почався в середині 30-х років занепад дирижаблебудування спричинив деякий спад у виробництві гелію, але лише на короткий час. Цей газ все більше привертав до себе увагу хіміків, металургів і машинобудівників.
Ще одна сфера застосування гелію обумовлена тим, що багато технологічних процесів і операції не можна вести в повітряному середовищі. Щоб уникнути взаємодії одержуваного речовини (або вихідної сировини) з газами повітря, створюють спеціальні захисні середовища, і немає для цих цілей більш відповідного газу, ніж гелій.
У гелієвої захисному середовищі проходять окремі стадії отримання ядерного пального. У контейнерах, заповнених гелієм, зберігають і транспортують тепловиділяючі елементи ядерних реакторів. За допомогою особливих течошукачів, дія яких заснована на винятковій дифузійної здатності гелію, виявляють найменші можливості витоку в атомних реакторах та інших системах, що знаходяться під тиском або вакуумом.
У наукових дослідженнях і в техніці широко застосовується рідкий гелій. Наднизькі температури сприяють поглибленому пізнанню речовини і його будови - при більш високих температурах тонкі деталі енергетичних спектрів маскуються тепловим рухом атомів.
Вже існують надпровідні соленоїди з особливих сплавів, створюють при температурі рідкого гелію сильні магнітні поля (до 300 тисяч ерстед) при незначних витратах енергії. При температурі рідкого гелію багато метали і сплави стають надпровідниками. Надпровідникових реле-кріотрони все ширше застосовуються в конструкціях електронно-обчислювальних машин. Вони прості, надійні, дуже компактні. Надпровідники, а з ними і рідкий гелій стають необхідними для електроніки. Вони входять до конструкції детекторів інфрачервоного випромінювання, молекулярних підсилювачів (мазерів), оптичних квантових генераторів (лазерів), приладів для вимірювання надвисоких частот.
Геліокіслородние суміші стали надійним засобом профілактики кесонної хвороби і дали великий виграш за часом при підйомі водолазів. Як відомо, розчинність газів в рідинах, при інших рівних даних, прямо пропорційна тиску. У водолазів, які працюють під великим тиском, в крові розчинене азоту набагато більше в порівнянні з нормальними умовами, що існують на поверхні води. При підйомі з глибини, коли тиск наближається до нормального, розчинність азоту знижується, і його надлишок починає виділятися. Якщо підйом відбувається швидко, виділення надлишку розчинених газів відбувається настільки бурхливо, що кров і багаті водою тканини організму, насичені газом, вспеніваются від маси бульбашок азоту - подібно шампанського при відкриванні пляшки.
Освіта бульбашок азоту в кровоносних судинах порушує роботу серця, поява їх в мозку порушує його функції, а все це разом веде до важких розладів життєдіяльності організму і в результаті - до смерті. Для того, щоб попередити розвиток описаних явищ, відомих під ім'ям «кесонної хвороби», підйом водолазів, тобто перехід від підвищеного тиску до нормального, проводиться дуже повільно.
При цьому надлишок розчинених газів виділяється поступово і ніяких хворобливих розладів не відбувається. Із застосуванням штучного повітря, в якому азот замінюється менш розчинною гелієм, можливість шкідливих розладів усувається майже повністю. Це дозволяє збільшувати глибину опускання водолазів (до 100 і більше метрів) і пролонгувати час перебування під водою.
«Гелієвий» повітря має щільність в три рази менше щільності звичайного повітря. Тому дихати таким повітрям легше, ніж звичайним (зменшується робота дихальних м'язів). Ця обставина має важливе значення при захворюванні органів дихання. Тому «гелієвий» повітря застосовується також у медицині при лікуванні астми, задухи і інших хвороб.
Ще не вічний, але вже нешкідливий
У Лос-Аламоської національної лабораторії імені Е. Фермі (штат Нью-Мексико) розроблений новий двигун, який може серйозно змінити уявлення про автомобіль як одному з головних джерел забруднення. При порівнянній з двигуном внутрішнього згоряння коефіцієнті корисної дії (30-40%) він позбавлений основних його недоліків: рухомих частин, які потребують в мастилі для зменшення тертя і зносу, і шкідливих для навколишнього середовища викидів продуктів неповного згоряння палива.
По суті, мова йде про вдосконалення добре відомого двигуна зовнішнього згоряння, запропонованого шотландським священиком Р. Стірлінгом ще в 1816 р. Цей двигун не отримав широкого розповсюдження на автотранспорті з-за більш складною в порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння конструкції, більшою матеріаломісткості і вартості. Але термоакустичний перетворювач енергії, запропонований американськими вченими, в якому робочим тілом служить стиснене гелій, вигідно відрізняється від свого попередника відсутністю громіздких теплообмінників, які перешкоджали його використанню в легкових автомобілях, і в недалекому майбутньому може стати екологічно прийнятною альтернативою не тільки двигуна внутрішнього згоряння, а й перетворювача сонячної енергії, холодильника, кондиціонера. Масштаби його застосування поки навіть важко уявити.