Области применения гелия

Инертные газы ‒ это химические элементы со схожими свойствами, располагаются в восьмой группе периодической таблицы Д.И. Менделеева.

Для этих летучих лёгких веществ характерна одноатомная структура, отсутствие реакционной способности, цвета, запаха. Полное заполнение электронных оболочек приводит к стабильности и отсутствия возможности присоединения внешних электронов. 

Открытие гелия связано с именами французов Жансена и Локера, которые при изучении спектра солнечного затмения в 1868 году обнаружили жёлтую линию, ранее не наблюдавшуюся. Назван вновь открытый элемент был в честь бога солнца Гелиоса.

Гелий ‒ это газ с упрощённой схемой электронной конфигурации 1s², его атомный номер 2. Отсюда проистекают его свойства: плотность, которая составляет 0, 1785 кг/м³, он в семь раз легче воздуха.  При этом наблюдается отсутствие горючести, электропроводности, токсичности, температура сжижения -269°C. При действии электрического импульса гелий может светиться, а также обладает высокой теплопроводностью. Эти уникальные характеристики определяют сферы применения гелия, одного из самых распространённых элементов во Вселенной. Однако на Земле его запасы ограничены и невосполнимы. Проблема его возможного будущего исчезновения активно обсуждается многими странами. Существует два пути решения этой проблемы: поиск заменителей гелия в ключевых отраслях и рациональное использование имеющихся запасов.

Гелий получают из природного газа с помощью низкотемпературной дистилляции или мембранного разделения. При этом важным показателем служит чистота готового продукта, которая в зависимости от метода получения и очистки колеблется от технических до сверхчистых показателей. Содержание примесей может достигать 1×10⁻⁵%.

Использование гелия не ограничивается лишь наполнением воздушных шаров для праздников или накачиванием метеорологических зондов и воздухоплавательных судов. Из этой статьи станет понятно, где ещё используется гелий. Одним из показателей технологического развития страны является потребление гелия, который является ключевым элементом в высоких технологиях. Зачем нужен гелий? Этот уникальный элемент открывает перед человечеством множество возможностей в различных сферах, от совершенствования медицинских технологий до освоения космических пространств.

Металлообработка

Для чего нужен гелий в производстве? Около 23% его земного запаса применяют для сварки. Процесс сваривания и резки некоторых металлов, таких как титан, медь, алюминий, а также их сплавов и тугоплавких нержавеющих сталей, проводятся в гелиевой защитной среде для защиты от воздействия воздуха. Хотя гелий проводит тепло хуже, чем аргон, и обладает меньшей электропроводностью, это позволяет вести электродуговую сварку при более высоких температурах. Это позволяет обеспечить улучшенное проплавление образцов большой толщины, а также для получения сварных швов заданной формы и нужного качества. Отсутствие окисления сохраняет поверхность металла в чистом виде.

В лазерной сварке гелий используется в качестве плазмоподавляющего газа, а в плазменной сварке его добавляют к аргону, который служит плазмообразующим газом.

Лазерные технологии, источники освещения

Гелий необходим для заполнения газоразрядных трубок в гелий-неоновых лазерах из-за наличия нескольких спектральных линий в видимой части света. Узкий спектр генерации позволяет применять эти лазеры в интерферометрии, голографии, метрологии, биомедицинской инженерии, спектроскопии, для считывания штрих-кодов. Лазерные установки такого типа характеризуются низкой стоимостью, малым энергопотреблением и высокой эффективностью. Гелиевые фильтры для света также расширяют возможности профессиональной фотосъемки, позволяя улучшить качество изображения.

Ядерные технологии

Гелий, благодаря своей высокой теплопроводности, химической инертности и неспособности взаимодействовать с нейтронами, используется в качестве охладителя атомных реакторов. Он также служит для заполнения контейнеров, в которых перевозятся и хранятся тепловыделяющие элементы. Производство ядерного топлива также осуществляется в гелиевой защите. Высокая проникающая способность гелиевых течеискателей помогает обнаружить утечки в атомных реакторах. Поиск утечек с помощью легкого, всепроникающего газа востребован при проверке надежности сварных швов, упаковки продуктов и в других отраслях, где существует риск протечек.  

Создание дыхательных смесей

HeliOx представляет собой дыхательную смесь, состоящую из 20% кислорода и 80% гелия. Эта смесь пригодна для дыхания, как и обычный воздух, но имеет ряд преимуществ. При подъеме водолазов с больших глубин HeliOx эффективно предотвращает развитие морской болезни. Время пребывания под водой увеличивается, а глубина погружения возрастает до ста метров. Кроме того, HeliOx востребован для создания атмосферы на космических станциях и находит применение в медицинских целях.

Криогенные технологии

Гелий в жидком состоянии выступает в роли уникального хладагента при получении водорода, кислорода, а также для изготовления сверхпроводящих магнитов, широко используемых в медицине для магниторезонансных томографических исследований.

Метод МРТ помогает врачам при диагностике многих заболеваний, так как даёт возможность рассмотреть с высокой степенью разрешения внутренние органы и оценить состояние тканей. Сверхнизкие температуры также необходимы для сохранения органов при трансплантации, что обеспечивает их жизнеспособность до момента пересадки.  

Глубокое охлаждение позволяет добиться при работе электронных сенсоров оптимального соотношения шума и полезного сигнала. Для функционирования Большого адронного коллайдера, который ускоряет элементарные частицы, требуется 96 тонн жидкого гелия. Это необходимо для маскировки теплового движения атомов, охлаждения магнитов и защиты их от перегрева, поддерживая температурный минимум в 1.9 К. Условия сверхнизких температур открывают новые возможности для углубленного изучения структуры веществ.

Многообразие применения гелия

Однако перечисленные применения гелия не исчерпывают все его возможности, так как это вещество является ценным ресурсом. 

• Гелий, будучи невоспламеняемым веществом, широко используется в качестве средства пожаротушения, а также для защиты хранилищ бензина и других легковоспламеняющихся жидкостей.
• В пищевой промышленности этот инертный газ нужен для упаковки и вытеснения воздуха для продления срока годности продукта. 
• В цветной металлургии гелий требуется для очистки алюминия и его сплавов. 
• Для минимизации искажений этим газом с низким коэффициентом преломления заполняют межлинзовое пространство телескопов. 
• Гелий активно используется в медицине, начиная от диагностики и заканчивая хирургическими интервенциями.
• В области компьютерных технологий и телекоммуникаций жидкий гелий используется для обеспечения сохранности волоконно-оптических кабелей, которые передают данные.
• При изготовлении чипов и микросхем не обходятся без магнитов в качестве сверхпроводников, их охлаждают с помощью низкотемпературного агента.
• В космической отрасли гелий обеспечивает стабильность работы ракетных двигателей на протяжении длительных перелетов. Он также используется для продувки топливных баков и очистки двигателей.
• Защита окружающей среды неразрывно связана с разработкой источников возобновляемой энергии. В солнечных панелях для повышения их эффективности гелиевый охладитель нужен для отведения тепла от полупроводниковых элементов.