Hel kojarzy się przede wszystkim z balonami unoszącymi się w powietrzu, ale jego znaczenie jest znacznie większe. To bardzo lekki, niepalny i mało reaktywny gaz, który znajduje zastosowanie w medycynie, energetyce, elektronice, przemyśle, badaniach naukowych oraz lotnictwie. W wielu dziedzinach trudno zastąpić go inną substancją bez pogorszenia bezpieczeństwa albo parametrów pracy urządzeń.
Czym właściwie jest hel?
Hel jest pierwiastkiem chemicznym oznaczanym symbolem He. Należy do gazów szlachetnych, dlatego w normalnych warunkach bardzo niechętnie reaguje z innymi substancjami. Jest bezbarwny, bezwonny i nietoksyczny, choć jego wdychanie może być niebezpieczne, ponieważ wypiera tlen z płuc.
Pod względem masy hel jest drugim najlżejszym pierwiastkiem po wodorze. Dzięki temu może unosić balony i aerostaty, a przy tym nie jest palny. To jedna z jego największych przewag nad wodorem, który ma jeszcze mniejszą gęstość, ale tworzy z powietrzem łatwopalne i wybuchowe mieszaniny.
Hel ma również bardzo niską temperaturę wrzenia. W postaci ciekłej pozostaje dopiero w temperaturze około minus 269 stopni Celsjusza. Ta właściwość sprawia, że jest wykorzystywany do chłodzenia urządzeń pracujących w warunkach kriogenicznych.
Do czego wykorzystujemy hel?
Hel wykorzystuje się wszędzie tam, gdzie potrzebny jest lekki, niepalny, obojętny chemicznie lub bardzo zimny gaz. Jednym z najważniejszych obszarów jest chłodzenie magnesów nadprzewodzących w urządzeniach medycznych i naukowych. Gaz stosuje się też jako osłonę podczas spawania, do wykrywania nieszczelności, produkcji półprzewodników oraz napełniania balonów meteorologicznych.
W przemyśle hel pełni często funkcję gazu technicznego. Nie bierze aktywnego udziału w procesie, ale tworzy kontrolowane środowisko, ogranicza kontakt materiału z tlenem albo umożliwia bardzo dokładne testowanie szczelności.
W laboratoriach wykorzystuje się go również jako gaz nośny w aparaturze analitycznej. Jego stabilność i przewidywalne właściwości ułatwiają rozdzielanie oraz identyfikowanie składników badanych próbek.
Dlaczego hel jest potrzebny w rezonansie magnetycznym?
Aparaty do rezonansu magnetycznego wykorzystują bardzo silne magnesy. W wielu urządzeniach są to elektromagnesy nadprzewodzące, które muszą pracować w ekstremalnie niskiej temperaturze. Do ich chłodzenia stosuje się ciekły hel.
Po schłodzeniu specjalnych przewodników poniżej określonej temperatury ich opór elektryczny gwałtownie spada. Pozwala to utrzymywać silne pole magnetyczne potrzebne do wykonywania dokładnych obrazów wnętrza ludzkiego ciała.
Brak odpowiedniego chłodzenia może doprowadzić do utraty nadprzewodnictwa. W takiej sytuacji ciekły hel szybko przechodzi w gaz, a urządzenie wymaga specjalistycznej obsługi. Nowoczesne aparaty projektuje się tak, aby ograniczyć utratę helu i częściowo odzyskiwać gaz, ponieważ jest on cennym surowcem.
Hel w badaniach naukowych
Ciekły hel jest używany w fizyce niskich temperatur, badaniach nad nadprzewodnictwem, mechaniką kwantową i właściwościami materiałów. Umożliwia osiągnięcie temperatur bardzo bliskich zera bezwzględnego, czyli najniższej teoretycznie możliwej temperatury.
Hel chłodzi także magnesy stosowane w akceleratorach cząstek. Silne pole magnetyczne kieruje wiązkami cząstek i utrzymuje je na odpowiednim torze. Bez skutecznego chłodzenia magnesy nie mogłyby pracować z wymaganymi parametrami.
W astronomii i badaniach kosmicznych gaz ten stosuje się do chłodzenia niektórych detektorów. Niska temperatura ogranicza zakłócenia cieplne i pozwala rejestrować bardzo słabe sygnały pochodzące z odległych obiektów.
Do czego służy hel podczas spawania?
Hel może tworzyć osłonę wokół miejsca spawania. Chroni rozgrzany metal przed kontaktem z tlenem, azotem i wilgocią obecną w powietrzu. Dzięki temu spoiny mogą być czystsze, bardziej równomierne i mniej podatne na wady.
Gaz jest stosowany samodzielnie albo w mieszaninach z argonem. Hel pozwala uzyskać gorętszy łuk spawalniczy, co jest przydatne przy łączeniu grubych elementów oraz materiałów dobrze przewodzących ciepło, takich jak aluminium i miedź.
Mieszanki zawierające hel wykorzystuje się między innymi przy spawaniu metodą TIG i MIG. Wybór składu gazu zależy od rodzaju metalu, grubości elementu, wymaganej prędkości pracy i oczekiwanej jakości spoiny.
Hel w produkcji elektroniki
Produkcja układów scalonych, światłowodów i niektórych ekranów wymaga bardzo czystych warunków. Hel może służyć jako gaz osłonowy, chłodzący albo transportujący inne substancje w urządzeniach technologicznych.
W procesach związanych z półprzewodnikami pomaga ograniczyć reakcje z tlenem i wilgocią. Wykorzystuje się go również podczas tworzenia cienkich warstw materiału na powierzchni płytek krzemowych.
Gaz może uczestniczyć w kontroli temperatury podczas obróbki. Jego dobre właściwości przewodzenia ciepła pozwalają sprawnie odbierać energię z nagrzewających się elementów, nie wprowadzając przy tym reaktywnych zanieczyszczeń.
Wykrywanie nieszczelności przy użyciu helu
Hel ma bardzo małe atomy, dlatego potrafi przenikać przez wyjątkowo niewielkie szczeliny. Z tego powodu wykorzystuje się go do testowania instalacji, których szczelność musi być bardzo wysoka.
Badany układ wypełnia się helem albo nanosi gaz na zewnętrzną powierzchnię, a następnie używa specjalnego detektora. Urządzenie wykrywa nawet bardzo małe ilości helu przedostające się przez połączenia, zawory, spawy lub uszczelki.
Metodę stosuje się w przemyśle chłodniczym, farmaceutycznym, lotniczym, kosmicznym i energetycznym. Można w ten sposób sprawdzać między innymi zbiorniki, przewody próżniowe, wymienniki ciepła i instalacje wykorzystujące gazy pod wysokim ciśnieniem.
Czy hel służy tylko do napełniania balonów?
Balony to najbardziej widoczne zastosowanie helu, ale nie najważniejsze z punktu widzenia gospodarki. Gaz wykorzystuje się do napełniania balonów reklamowych, dekoracyjnych, sterowców i balonów meteorologicznych.
Balony meteorologiczne wynoszą w atmosferę przyrządy mierzące temperaturę, wilgotność, ciśnienie i prędkość wiatru. Hel zapewnia im siłę wyporu, a jednocześnie zmniejsza ryzyko pożaru w porównaniu z wodorem.
Balony imprezowe zużywają gaz, który po wypuszczeniu szybko unosi się w atmosferze i trudno go odzyskać. Z tego powodu coraz częściej zwraca się uwagę, aby nie marnować helu tam, gdzie można zastosować powietrze albo inne rozwiązanie.
Hel w nurkowaniu głębinowym
W nurkowaniu na dużych głębokościach wykorzystuje się mieszaniny oddechowe zawierające hel. Jedną z nich jest trimiks, składający się z tlenu, azotu i helu. Stosuje się również heliox, czyli mieszaninę helu i tlenu.
Dodanie helu pozwala zmniejszyć udział azotu, który pod wysokim ciśnieniem może działać narkotycznie. Zjawisko to nazywane jest narkozą azotową i może pogarszać ocenę sytuacji, koordynację oraz zdolność podejmowania decyzji.
Hel ma niską gęstość, dzięki czemu przy dużym ciśnieniu mieszanina może stawiać mniejszy opór podczas oddychania. Nie oznacza to jednak, że jest całkowicie obojętny dla nurka. Bardzo głębokie nurkowania wymagają dokładnie zaplanowanego składu gazów i procedur dekompresyjnych.
Hel w medycynie oddechowej
Mieszanina helu i tlenu, określana jako heliox, może być stosowana w określonych sytuacjach medycznych. Ponieważ hel jest lżejszy od azotu, mieszanina ma mniejszą gęstość niż zwykłe powietrze.
Może to ułatwiać przepływ gazu przez zwężone drogi oddechowe. Heliox bywa wykorzystywany jako rozwiązanie wspomagające w wybranych przypadkach obturacji, gdy pacjent ma trudności z oddychaniem.
Nie jest to jednak uniwersalne leczenie ani gaz przeznaczony do samodzielnego stosowania. Skład mieszaniny i sposób podawania muszą być kontrolowane przez personel medyczny, ponieważ pacjent potrzebuje odpowiedniej ilości tlenu.
Hel w lotnictwie i przemyśle kosmicznym
W rakietach hel może służyć do zwiększania ciśnienia w zbiornikach paliwa. Gdy paliwo jest zużywane, gaz wypełnia powstającą przestrzeń i pomaga utrzymać odpowiednie warunki zasilania silników.
Zaletą helu jest brak palności i mała reaktywność. Nie powinien wchodzić w niepożądane reakcje z paliwem, utleniaczem ani materiałami konstrukcyjnymi instalacji.
Gaz wykorzystuje się też do testowania szczelności elementów statków powietrznych i kosmicznych. Nawet bardzo mała nieszczelność może być w takich urządzeniach poważnym zagrożeniem, dlatego potrzebne są niezwykle dokładne metody kontroli.
Czy hel może być używany do chłodzenia?
Tak, hel jest jednym z najważniejszych czynników chłodzących w technice kriogenicznej. Ciekły hel pozwala osiągać temperatury znacznie niższe niż ciekły azot, którego temperatura wrzenia wynosi około minus 196 stopni Celsjusza.
Tak głębokie chłodzenie jest potrzebne do pracy magnesów nadprzewodzących, wybranych detektorów, urządzeń pomiarowych i aparatury badawczej. W części instalacji stosuje się obie substancje, ale do różnych etapów schładzania.
Hel nie zawsze jest zużywany jednorazowo. W zamkniętych systemach chłodniczych może krążyć, przechodzić między stanem ciekłym i gazowym, a następnie ponownie być skraplany. Ogranicza to straty i zmniejsza zapotrzebowanie na nowy surowiec.
Skąd bierze się hel?
Hel powstaje naturalnie między innymi podczas przemian promieniotwórczych zachodzących w skałach. Przez bardzo długi czas może gromadzić się w niektórych złożach gazu ziemnego.
Przemysłowy hel pozyskuje się więc głównie podczas przetwarzania gazu ziemnego zawierającego odpowiednio wysokie stężenie tego pierwiastka. Następnie oddziela się go od innych gazów i oczyszcza do poziomu wymaganego przez konkretne zastosowanie.
Hel uwolniony do atmosfery unosi się do jej najwyższych warstw, a część z czasem ucieka w przestrzeń kosmiczną. Z punktu widzenia człowieka jego zasoby są więc ograniczone i nie odnawiają się szybko.
Dlaczego nie można łatwo zastąpić helu?
W niektórych zastosowaniach można użyć argonu, wodoru, azotu lub innych gazów. Zamiana nie zawsze jest jednak bezpieczna i technicznie możliwa. Każda z tych substancji ma inne właściwości.
Wodór jest lżejszy i dobrze przewodzi ciepło, ale jest łatwopalny. Argon jest obojętny chemicznie, lecz cięższy i ma inne właściwości cieplne. Ciekły azot jest znacznie tańszy, ale nie pozwala uzyskać tak niskiej temperatury jak ciekły hel.
Najtrudniej zastąpić hel w urządzeniach wymagających chłodzenia do kilku stopni powyżej zera bezwzględnego. Właśnie dlatego odzysk i ponowne wykorzystanie gazu są szczególnie ważne w medycynie oraz dużych ośrodkach badawczych.
Czy wdychanie helu z balonu jest bezpieczne?
Wdychanie helu zmienia głos, ponieważ dźwięk rozchodzi się w nim inaczej niż w powietrzu. Efekt jest krótkotrwały, ale sam zabieg nie jest bezpieczną zabawą.
Hel nie dostarcza tlenu. Wdychanie go może doprowadzić do niedotlenienia, utraty przytomności, urazu po upadku, uszkodzenia mózgu, a w skrajnej sytuacji do śmierci. Zagrożenie może pojawić się szybko, bez wyraźnego uczucia duszenia.
Szczególnie niebezpieczne jest wdychanie gazu bezpośrednio z butli. Hel znajduje się w niej pod wysokim ciśnieniem, dlatego może uszkodzić płuca lub spowodować przedostanie się gazu do naczyń krwionośnych.
Dlaczego hel powinien być oszczędzany?
Hel jest cennym surowcem, a jego naturalne zasoby są ograniczone do określonych złóż. Po uwolnieniu do atmosfery odzyskanie go jest bardzo trudne i nieopłacalne.
W zastosowaniach medycznych i naukowych brak helu może utrudniać pracę aparatury, badań oraz systemów chłodzenia. Dlatego rozwija się urządzenia ograniczające parowanie ciekłego gazu i instalacje służące do jego odzysku.
Racjonalne gospodarowanie nie oznacza całkowitej rezygnacji z balonów, ale warto ograniczać niepotrzebne wypuszczanie helu do powietrza. Gaz wykorzystany w zamkniętym obiegu może służyć wielokrotnie, natomiast uwolniony z dekoracji zostaje praktycznie utracony.
Hel jest więc znacznie ważniejszy, niż sugeruje jego imprezowe zastosowanie. Chłodzi aparaty do rezonansu magnetycznego i magnesy badawcze, pomaga wykrywać nieszczelności, chroni metal podczas spawania, wspiera produkcję elektroniki i umożliwia wykonywanie zadań w lotnictwie, medycynie oraz nurkowaniu. Jego wyjątkowe właściwości sprawiają, że w wielu urządzeniach nie istnieje równie skuteczny i bezpieczny zamiennik.
Źródło: www.offon.pl
