氦必不可少，但不可再生且难以回收

关于氦气，你可能需要知道的：它是研究和医疗设备的重要材料，但这种资源不可再生且难以回收。

下次你为派对买气球时，记得满天星要的气球里的氦气是注定要升向星空的。试想下，氦气这么轻，又摆脱地心引力的束缚，最终将飞向空间。氦，就像化石燃料一样，是一种有限的资源。

氦气短缺对许多研究者来说已成为紧迫的问题。因为一些原因，全球氦市场承受着压力，包括可能出售的美国公共氦气储备和制造设备，以及制裁俄罗斯和一些氦厂的故障。

过去十年出现过四次氦短缺，这些中断影响到几个高科技行业。氦不仅用于充气气球，还在某些金属的焊接和半导体制作中发挥作用。

涉及到医学影像和化学分析研究时，也会用到氦。液态氦降至零下268摄氏度，可以使MRI(核磁共振)和NMR(核磁质谱)系统的超导磁铁保持冷却。

氦短缺给许多行业带来了压力，短缺时，氦的成本可能会剧增。甚至消费者也受到影响——派对用的气球和氦气罐装置的价格大幅上升。

研究中的氦 – 一项冷酷的难题

MRI和NMR设备需要非常强的磁场才能操作。使用超导电线是产生这些场的最有效方式。超导电流产生磁场，这些电流在没有额外电力输入的情况下，可以持续几十年。

但问题是，没有液态氦，电线很快就会升温。氦被用来冷却磁铁后，随着时间的推移，其会蒸发。超导消失，磁场消散。

今年早些时候，LK-99这一种新的室温超导体制造了全球头条。如果真找到这样的材料，MRI和NMR系统可能就不再需要氦了。

LK-99迄今为止并没有在超导性上带来突破，但科学家们仍在寻找新的超导材料。

在科学家找到功能全面的室温超导体之前，MRI和NMR设施需要氦。中小型大学或医院可能要每年花费20,000美元购买液态氦，因为他们每隔几个月就需要补充液态氦。

大型设施需要的更多，过去两到三年里，氦的价格翻了一番。一些机构被迫停电，关闭设备的磁场，直至再次购买到氦为止。

新的氦来临了？

解决氦短缺的一个方法是寻找更多的氦源。通常，氦是通过钻探天然气获得的，因为氦在地下进行甲烷和其它烃类的存储。

甲烷是一种温室气体，燃烧天然气会释放二氧化碳进入大气层。大气中的甲烷和二氧化碳会加剧气候变化。

但地下可能存在氦未与天然气混合的情况。非洲的研究者找到了可能是坦桑尼亚Rukwa地区的大量氦储存。

至少有两家公司正在积极寻找这些储存，他们来自该地区唯一的火山活动。在这些地方钻探可能是更环保的选择，但任何形式的钻探都有地方环保影响。

截至2023年初，钻探这些储存所发现的氦含量似乎是一个好消息。最近的探测显示，氦的含量至少为2%到3%，比正常大气层的含量高出1000倍。这与其他提供氦的钻探站点相当。

目前有两家公司在非洲寻找氦，都计划继续寻找更高含量的氦。但是，独立的行业评估预计，新的氦设备可能要到2025年或更晚才会投入运营。

尽管如此，这些努力并没有解决更大的问题——人们需要可再生的氦源。

重复使用现有的氦

在科学家找到可靠的室温超导体或找到无限供应的氦之前，保护现有的氦是最好的出路。幸运的是，这正在变得越来越容易。

美国艾奥瓦州立大学的科研人员在上世纪60年代开始重复使用他们的氦。从那时候起，这项技术已经变得更廉价，美国国家科学基金会和美国国家医疗研究所已经投资在学术研究设施中安装氦回收设备。

这些系统现在越来越常见，甚至在较小的NMR设施中也有。科学家们(包括我实验室的研究人员)在安装这样的设备的过程中，是相互帮助对方的。

氦回收系统包含三个主要组成部分。首先，是一个将蒸发的氦从超导磁带出来的系统。这个组件监控了蒸发的速率，并确保了系统内的稳定流动。

其次，是一个收集系统。对大型设施来说，这包括了一个大型的柔性袋。这个袋子会在收集蒸发的氦时膨胀，暂时储存。这个袋子有小汽车那么大，如果空间有限，小型设施可以用氦罐储存。

第三，是一个将气态氦再液化的系统。这个组件最贵，它用电力冷却氦。氦一旦液化，设备的人员就会将其送回磁带。

尽管氦短缺引发的挑战有很多，但科研人员对未来仍然充满乐观。研究者们在继续寻找室温超导体。坦桑尼亚的新氦设施可以增加供应量。更广泛使用的氦回收设备也使科学家们可以节约这种宝贵的资源。

本文译自 theconversation，由 BALI 编辑发布。