Heli là loại khí hiếm được phát hiện lần đầu tiên vào ngày 18/8/1868, tức khoảng 150 năm trước bởi nhà thiên văn học người Pháp Jules Janssen trong khi ông quan sát nhật thực toàn phần. Ông đã đặt tên cho Heli theo nguồn gốc phát hiện của nó – Helios, nghĩa là mặt trời trong tiếng Hy Lạp. Tại thời điểm đó, không có khí Heli nào được phát hiện trên Trái Đất.

(ảnh: Adi Goldstein/Unsplash)

Nguồn cung của Heli trên Trái đất là khá hữu hạn

Heli là chất khí hình thành ngay sau vụ nổ Big Bang vào nhiều tỷ năm trước đây. Nó là loại khí nhẹ thứ hai và cũng là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vũ trụ, sau khí hydro. Khí Heli không có nhiều trên Trái Đất. Sự thật là hạt nhân Heli quá nhẹ nên trọng lực của Trái Đất không thể giữ nó được. Một khi Heli đi vào bầu khí quyển của chúng ta, nó sẽ thoát ra ngoài không gian vũ trụ, biến mất khỏi Trái Đất và cuốn đi theo gió mặt trời.

Cho dù liên tục mất Heli trên Trái Đất, trữ lượng Heli vẫn khá dồi dào cho tới gần đây. Hầu hết lượng dự trữ Heli chúng ta có trên Trái Đất được hình thành theo một cách khác so với trong vụ nổ Big Bang.
Các nguyên tố phóng xạ, như uranium và thori, phân rã thành các mảnh hoặc hạt nhỏ hơn, bao gồm các hạt alpha rất nhỏ. Những hạt này là các nguyên tử Heli đã mất hết electron, có năng lượng và điện tích cao. Chúng ta gọi đây là phân rã của phân hạch các nguyên tố phóng xạ vì phân tử phân tách ra thành nhiều hạt con mới và năng lượng đã được giải phóng.

Sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ này bổ sung thêm Heli bị mất vào bầu khí quyển. Nó bị giữ lại trong các khoáng chất khác nhau và đọng lại trong các túi chứa khí lớn được hình thành tự nhiên mà con người có thể khai thác, chẳng hạn như Khu bảo tồn Heli quốc gia của Hoa Kỳ tại Texas. Tuy nhiên, quá trình tự nhiên này phải mất đến hàng ngàn năm mới có thể tạo ra lượng Heli có giá trị thương mại.

Bộ phận làm giàu Heli tại một nhà máy ở Amarillo, Texas. (ảnh qua Inverse.com)

Tại sao chúng ta cần khí Heli?

Với nguyên tử gồm hai proton và hai nơtron, Heli là một nguyên tố rất ổn định. Về mặt hóa học, Heli là khí trơ, không cháy, không gây độc, sôi ở nhiệt độ -268 độ C (4,2 độ K), gần tới nhiệt độ thấp nhất có thể trong vũ trụ. Không có nguyên tố nào khác có thể tồn tại ở thể lỏng tại khoảng nhiệt độ này. Quả thật, ở thời điểm hiện tại, không có vật liệu nào mang các đặc tính độc đáo như Heli.

Đối với nhiều ứng dụng trong công nghiệp, Heli tương đối rẻ và hiện không có giải pháp thay thế. Nó rất quan trọng trong công nghệ vũ trụ và quốc phòng, sản xuất sản phẩm công nghệ cao, thử nghiệm động cơ tên lửa, việc hàn, lặn dưới nước, nam châm trong máy gia tốc hạt, sản xuất cáp quang và chip bán dẫn trong điện thoại di động của chúng ta.

Tuy nhiên, nơi sử dụng Heli nhiều nhất lại chính là lĩnh vực chụp quét trong y tế, đặc biệt là chụp cộng hưởng từ (MRI) và lĩnh vực phân tích các vật liệu cao cấp bằng từ trường cực mạnh để tạo ra cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), sử dụng phép đo quang phổ. Những trường đó sẽ không thể tạo ra nếu thiếu điểm sôi vô cùng thấp của Heli lỏng.

Các thiết bị chụp cộng hưởng từ cơ thể con người như MRI và NMR, sử dụng các vật liệu siêu dẫn ổn định ở -268 độ C. Vì sao lại cần tới vật liệu siêu dẫn? Bởi vì hầu như các vật liệu đều kháng lại dòng chuyển động của electron, tức dòng điện đi qua chúng, và điều này là một vấn đề đối với việc chế tạo nam châm.

Nhưng các chất siêu dẫn gần như không có điện trở và có khả năng tạo ra từ trường khổng lồ, cho phép chụp ảnh trong lĩnh vực y tế với độ phân giải cao. Tuy nhiên, để có thể vận hành một cách chính xác, chất siêu dẫn phải được giữ ở nhiệt độ cực thấp – và cần phải dùng tới khí Heli lỏng.

Máy chụp MRI có vai trò quan trọng trong Tây y, và chỉ có thể vận hành nhờ Heli lỏng bên trong giúp làm lạnh các chất siêu dẫn, tạo ra từ trường cực mạnh. (ảnh: unsplash) Tất cả các thiết bị và ứng dụng trên đều sẽ tê liệt nếu chúng ta hết khí Heli.
May thay, chúng ta đang quản lý ngày một tốt hơn phần dự trữ còn lại và người ta vẫn luôn tìm ra thêm các nguồn dự trữ mới cũng như học cách tái chế khí Heli.

Chúng ta cũng đã bắt đầu nắm bắt được cách thức tạo ra vật liệu siêu dẫn với nhiệt độ cao hơn, dễ tiếp cận hơn. Dĩ nhiên, việc này đòi hỏi khá nhiều thời gian và tiền bạc. Tuy nhiên, các hoạt động tái chế lại tiêu tốn rất nhiều năng lượng và than đốt.

Cho đến khi tìm được một giải pháp toàn diện hơn, có lẽ bạn sẽ cân nhắc và suy nghĩ khác đi khi nhìn những quả bóng bay chứa đầy khí Heli quý giá bay lên bầu trời…

nguồn trithucvn.net