Применение гелия

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕЛИЯ

В конце прошлого столетия лондонский журнал «Панч» поместил карикатуру, на которой гелий был изображен хитро подмигивающим человеком — жителем Солнца. Текст под рисунком гласил: «Наконец-то меня изловили и на Земле! Это длилось достаточно долго! Интересно знать, сколько времени пройдет, пока они догадаются! что со мной делать?»
 
Действительно, наука не сразу проложила гелию путь в практику. Определенную роль здесь сыграли оригинальные физико-механические и электрические свойства гелия, потребовавшие длительного изучения. Главным же препятствием явилась трудность получения газа в больших количествах.
 
Зато быстро «нашел» применение гелию писатель-фантаст Герберт Уэллс. Едва только Рамзай выделил из клевеита гелий, как Уэллс сделал тот элемент главным вещественным героем повести «Первые люди на Луне». Помните ли вы мистера Кавора? Он изобрел «каворит» — сплав из металлов и гелия. Сплав не подвержен силе тяготения, он делает невесомым все, что находится между ним и любым космическим телом. Это поразительное свойство и позволило Кавору легко достичь Луны.
Ученый построил космический корабль в виде стеклянного шара с внешней каворитной оболочкой из свертывающихся наподобие штор сегментных заслонок, управляя которыми он оторвался от Земли и прилетел на Луну.
 
Уэллс ошибся: невозможно изготовить сплав из металлов и гелия. Ко времени написания повести о гелии было мало что известно и популярна еще была гипотеза Локьера что гелий — это металл.
 
Только при современном уровне развития геологии и техники бурения можно обнаруживать и извлекать на поверхность гелиеносные газы. Разработке промышленных способов выделения гелия из газовой смеси должен был предшествовать прогресс в технике разделения газов и глубокого холода.
 
Первое применение гелий нашел в воздухоплавании. В одну из сентябрьских ночей 1915 г. на подступах к Лондону был подбит германский дирижабль. Обычно при попадании зажигательного снаряда дирижабль мгновенно вспыхивал и сгорал. Тут же зенитчики не наблюдали пламени — истекая газом через пробоину, дирижабль медленно улетел обратно.
Загадку разъяснил химик Трилфолл, написавший по этому поводу в адрес британского адмиралтейства: «Полагаю, что немцы изобрели какой-то способ добывать в большом количестве гелий и на этот раз наполнили оболочку своего цеппелина не водородом, как обычно, а гелием». В Германии гелий получали из монацитовых песков. Они содержат ториевые минералы, поэтому в них имеется адсорбированный гелий, который выделяется при прокаливании. Трилфолл же первым предложил извлекать его из природных газов.
 
Сочетание в гелии свойств инертности и легкости делает его идеальным наполнителем воздухоплавательных аппаратов всех видов не только в военное время, но ив мирных условиях. Наполнение водородом не раз являлось причиной гибели аэростатов от случайной искры или атмосферных разрядов. Хотя гелий и вдвое тяжелее водорода, однако подъемная сила его лишь на 8% меньше.
 
Таким образом, подъемная сила гелия равна 92% подъемной силы водорода.
Для увеличения подъемной силы на практике часто используют смесь из 85 объемов гелия и 15 объемов водорода, которая ни при каких условиях не дает взрыва. К тому же при заполнении гелием можно безопасно регулировать высоту подъема дирижабля, нагревая или охлаждая газ. В процессе эксплуатации аэростатов заполнение их гелием производится в 4—5 раз реже, чем водородом, так как гелий медленнее диффундирует сквозь оболочку.
 
В 20—30-х годах прошедшего столетия получило значительное развитие гражданское воздухоплавание. Заполненные гелием дирижабли емкостью до 200—250 тыс. м³ и грузоподъемностью до 100 т совершали трансконтинентальные перелеты. От самолетов того времени они выгодно отличались большой грузоподъемностью и способностью без посадки преодолевать расстояния в 10— 15 тыс.  км.  В дальнейшем успехи самолетостроения почти полностью уничтожили преимущества дирижаблей, которые были уязвимы к обстрелу и ударам молнии и не могли сравниться с самолетами по скорости и маневренности. В результате дирижаблестроение резко сократилось.
 
Во время второй мировой войны в армии США успешно использовались дирижабли для борьбы с немецкими подводными лодками. Около 160 патрульных дирижаблей без потерь провели через Атлантику 90 000 судов. Используя эффективную наблюдательную аппаратуру и варьируя скорость полета от нуля до 150 км в час, они обнаруживали подводные лодки противника еще до их выхода на боевой курс. В США дирижабли также используются в качестве воздушных радарных станций.
Значительным остается применение неуправляемых и привязных аэростатов, наполненных гелием, в метеорологической службе и для научно-исследовательских работ в атмосфере. В период второй мировой войны большую роль сыграли аэростаты заграждения при защите Москвы, Ленинграда, Лондона и других городов от воздушных налетов.
 
Возросло применение наполненных гелием неуправляемых воздушных шаров. Это обусловлено появлением новых полимерных материалов (полиэтилена, полипронилена, полиэфиров), весьма пригодных для оболочек аэростатов. Из новых материалов изготовляют метеорологические и разведывательные шары, наблюдательные аэростаты, рекламные и детские шары.
В самое последнее время началось — на современной технической основе — возрождение управляемых дирижаблей. Они вновь привлекают внимание инженеров, их строят в ряде стран. Применяются моторы с изменяемой плоскостью вращения винта, автопилоты, автоматическая швартовка у собственной причальной мачты и многое другое, что должно радикально улучшить надежность, управляемость и автономность аппаратов.
 
Во Франции построен грузовой дирижабль, способный транспортировать в собранном виде крупногабаритные конструкции (мачты линий электропередач,   буровые вышки, нефтеочистительные установки и т. д.) весом до 500 т. Этот дирижабль внешне совсем не походит на своих довоенных предшественников. Роль привычного сигарообразного корпуса играют четыре огромных каплевидных баллона,  вмещающие по четверти миллиона кубометров гелия каждый. К ним подвешена металлическая  конструкция, напоминающая паука,   который   в своих лапах держит кабину, вмещающую пятерых членов экипажа,  и мощную лебедку. Вся эта  конструкция высотой с 23-этажный дом, длиной в 200 и шириной в 170 м приводится в движение восемью винтомоторными устройствами от серийных тяжелых вертолетов. Баллоны также не понадобилось специально изготовлять, так как это части от шаров-зондов, применяемых для исследования высоких слоев атмосферы.
 
Во Франции же в 1975 г. начал осуществляться план строительства двадцати огромных дирижаблей, заполненных 3 млн. м3 гелия каждый. Они будут висеть над крупными городами на высоте до 22 км с целью ретрансляции радио- и  телевизионных передач и сообщения телефонной и телеграфной информации по всей территории страны. Кроме того, самые высотные дирижабли будут играть роль висячих обсерваторий; там, где воздух в 20 раз более разрежен, чем на поверхности Земли, установят телескопы для космических наблюдений.
 
В 1975 г. в США построен опытный летательный аппарат «Мегалифтер», представляющий собой гибрид дирижабля с самолетом, фюзеляж выполнен в виде дирижабля объемом 200 тыс. м³, а от самолета аппарат получил крылья с четырьмя реактивными двигателями и кабину пилотов. Его полезная нагрузка — 182 т, крейсерская скорость — 330 км/час, дальность полета — до 16 тыс. км. При весе груза до 100 т аппарат остается дирижаблем, а при большей загрузке он становится одновременно и самолетом.
Фирмами США, Великобритании и Японии запроектированы к постройке в 1980—1982 гг. гигантские дирижабли грузоподъемностью в 1000 и даже 3000 т. Их длина достигает 300 м. Созданы и работают дирижабли, выполняющие функции кранов для монтажных работ,-они поднимают и перевозят грузы до 500 т. Построены и малые дирижабли для регулирования уличного движения, обнаружения и тушения лесных пожаров, для борьбы с преступностью и выполнения функций аэротакси.
 
Послевоенный упадок дирижаблестроения повлек на короткое время спад производства гелия. Вскоре оно вновь стало развиваться, так как области применения гелия неуклонно расширяются. Более 75% вырабатываемого ныне гелия используется во многих отраслях машиностроения и металлургии, крупными потребителями являются ракето- и самолетостроение, атомная, морская и космическая техника. Там, где гелий и аргон взаимозаменяемы, обычно используют аргон как более доступный газ.
 
В атмосфере гелия высокой чистоты производят электродуговую сварку и наплавку (нередко и резку) многих металлов: углеродистой и нержавеющей стали, алюминия, магния, вольфрама, меди, серебра, свинца, бериллиевой и кремнистой бронзы и т. д. Достоинства этого универсального метода — высокая производительность, прочность шва, чистота поверхности разреза. При сварке и наплавке в атмосфере гелия можно не пользоваться флюсом, так как благородные газы обладают способностью разрушать образующуюся поверхностную плевку, которая мешает соединению расплавленных металлов.
 
Важно и то, что атмосфера инертного газа обеспечивает устойчивое горение электрической дуги. Гелий применяют преимущественно при сварке металла постоян-ным током. Иногда процесс ведут в наполненных гелием специальных камерах, но чаще металл сваривают в струе защитного газа, выходящего из кольцевого сопла, которое окружает вольфрамовый электрод. Расход газа колеблется в пределах 85—1700 л/час в зависимости от величины сварочного тока и природы свариваемого металла.
 
Большое развитие получила металлургия титана и его сплавов. Этот легкий, прочный и жаростойкий металл очень пластичен и устойчив к коррозии; он является важным конструкционным материалом для ракет, реактивных самолетов и морских судов. Извлечение титана из его руд невозможно без применения защитной атмосферы инертного газа, так как металл взаимодействует с кислородом, азотом и углекислотой воздуха. Тот же характер имеет применение гелия в металлургии циркония, вольфрама, бериллия, урана, плутония, тория, гафния, ниобия, тантала, а также в производстве германия, кремния и других полупроводниковых материалов, при изготовлении металлорежущих инструментов из твердых сплавов, при плавке и литье рафинированных цветных и легких металлов. Большинство из перечисленных здесь производств нуждается в гелии и аргоне высокой степени чистоты. Особенно нежелательны примеси кислорода, азота, водорода.
 
При литье деталей из цветных металлов гелий используется как инертный и нерастворимый в металлах газ: им продувают расплав перед заливкой в формы. Этим достигается удаление растворенных газов и вынос на поверхность неметаллических примесей в виде шлака.
 
Сжатый гелий применяется в ракетах и управляемых снарядах в качестве двигательной силы для подачи топлива в камеру сгорания. Вообще легкий и инертный гелий — идеальное средство для передавливания огнеопасных жидкостей и порошков.
Гелий является лучшей средой для быстрой и безопасной сушки легко взрывающихся  веществ.   Здесь благодаря высокой теплопроводности гелия обеспечивается равномерность и тем самым безопасность нагрева высушиваемой массы. Те же качества гелия делают его эффективным гасителем пламени и защитным средством при хранении огнеопасных веществ. Например, в хирургических клиниках огнеопасные анестезирующие вещества хранят в атмосфере гелия для предотвращения воспламенений и взрывов в операционных помещениях.
 
Гелий может использоваться в качестве высокотемпературного теплоносителя в ядерных реакторах. Он радиаци-онно и взрывобезопасен, у него высок коэффициент теплопередачи, поэтому малы потери тепла. Уже действуют опытно-промышленные высокотемпературные реакторы, охлаждаемые гелием. Они компактны, работают в одном блоке с турбиной, рабочим телом которой является нагретый до 950—1000° гелий. В отличие от водо-водя-ных реакторов гелиевые реакторы не нуждаются во вторичном цикле теплоносителя.
 
Интересна роль гелия в течеискателях — приборах для испытания сварных швов на газонелроницаемость и для определения утечек в трубопроводах и аппаратах, работающих под вакуумом или под давлением. Тече-искатель состоит из обдувного устройства, индикатора газа и сигнализатора. Испытуемое изделие подключается к вакуумному агрегату, создающему в нем разрежение до 0,01 мм рт. ст., и через дроссельный кран к индикатору. В качестве последнего применяют масс-спектрометр, ионизационный манометр или разрядную трубку, меняющую цвет свечения. Испытуемые швы или поверхность обдуваются снаружи через сопло тонкой струей гелия. При нарушении герметичности гелий проникает в вакуумированное пространство и затем в масс-спектрометр, где возникает ионный ток. При этом отклоняется стрелка индикатора и раздается звук сирены. Место течи совпадает с точкой нахождения сопла в момент сигнала.
 
Гелий обеспечивает чувствительность показаний благодаря малым размерам атома и малой вязкости; он проникает через микроскопически малые каналы и неплотности в металле шва; вместе с тем показания прибора однозначны благодаря очень малому содержанию гелия в атмосфере и полному его отсутствию среди газов, которые могут выделяться из стенок вакуумных установок. Атмосфера гелия — превосходная среда для  консервирования пищевых продуктов, они сохраняют в ней свой первоначальный вкус и аромат.
Многообразно применение гелия в науке. В атомной физике используется малая скорость его ионизации при обстреле быстрыми частицами. Гелием наполняют ионизационные камеры, счетчики импульсов, камеры Вильсона, некоторые типы радиодамп. Низкий коэффициент рефракции гелия позволяет заполнять им пространству между линзами в оптических инструментах. Ширится его применение в радиоастрономии. Как отмечалось, гелий является исходным материалом для получения α-частиц, широко используемых в физической экспериментальной технике.
 
В квантовых гироскопах, голографии, в оптической связи и локации широко используется гелиево-неоновый лазер. Рабочим веществом является неон, а гелий передает энергию возбуждения. Этот лазер весьма монохроматичен, он может работать на 30 длинах волн в области видимого света и инфракрасного излучения.
За последнее десятилетие  геофизики  стали  часто прибегать к «гелиевой съемке», иными словами, к изуче-нию закономерностей распределения гелия в горных породах, подземных водах и природных газах. Смысл ее в том, что сведения о динамике концентрации гелия могут служить надежным индикатором процессов, скрытых в  глубинах  литосферы.   С  помощью   «гелиевой съемки» геологи пытаются решать такие крупномасштабные задачи, как прогноз землетрясений, выявление механизма и скорости водообмена в гидросфере, определение глубин развития разрывных структур.
Советскими геофизиками Ю. П. Булашевичем, Л. Н. Еремеевым, В. Н. Бакориным и другими показано, что гелиевая съемка позволяет надежно установить места незацементированных глубинных разломов, разделяющих относительно подвижные в геологическом времени блоки , земной коры. С такого рода разломами связаны поиски месторождений золота, цветных и редких металлов, имеющих глубинное происхождение.
 
Гелиевым газовым термометром измеряют температуру в очень широком диапазоне, особенно в области крайне низких температур. Это лучший эталонный термометр, шкала которого дает минимальные отклонения от термодинамической шкалы Кельвина. Легким изотопом гелия наполняют конденсационные термометры, он единственно пригоден для измерения температур ниже 1° К.
 
Хорошая электропроводность гелия и способность к яркой эмиссии света используются в разреженных газосветных трубках, а также в некоторых лампах накаливания, применяемых для сигнализации. В зависимости от давления, примеси другого инертного газа, вида и интенсивности электрического тока гелиевые трубки светятся розовым, оранжевым, ярко-желтым и иными цветами. При конденсированном разряде гелий вспыхивает ярким белым светом, что используется для сверхбыстрой фотографии.
Десятки тысяч кубометров гелия расходуются ежегодно на приготовление так называемого гелиевого, или искусственного воздуха — смеси одного объема кислорода и четырех объемов гелия. Этот воздух применяется для лечения и профилактики ряда заболеваний.
 
Гелиевый воздух примерно в 3 раза легче обычного. Оттого им легко дышится — он быстро проникает в легкие, увлекая в них больше кислорода, и скорее выводит из организма углекислоту. Благодаря этой особенности вдыхание гелиевого воздуха эффективно снимает удушья, лечит бронхиальную астму и заболевания гортани. Он облегчает состояние оперируемых больных, особенно при расстройствах дыхания. Нет сомнения, что по мере увеличения доступности гелия будет значительно возрастать его применение в медицине.
 
Существует профессиональная болезнь, называемая кессонной. Ей подвержены мосто- и метростроители, проходчики туннелей, водолазы, т. е. люди, работающие в закрытых камерах (кессонах) при повышенном давлении воздуха.
В соответствии с законом Генри чем выше атмосферное давление, тем больше воздуха растворяется в крови. Выходя’ из кессона, человек испытывает резкий спад давления, вследствие чего растворенные газы (азот и углекислота) начинают интенсивно выделяться и могут закупорить кровеносные сосуды, нарушить нервные узлы и ткани внутренних органов (азотная эмболия).
Чтобы избежать кессонной болезни, прибегают к декомпрессии: людей переводят в среду нормального давления постепенно, с длительными выдержками при промежуточных давлениях. Декомпрессия почти не требуется при пользовании гелиевым воздухом он намного смягчает кессонную болезнь вследствие очень малой растворимости гелия в организме. Незаменим гелиевый воздух в подводно-спасательном деле, когда необходим срочный спуск и подъем водолаза.
Дыхание гелиевым воздухом устраняет еще одну опасность в работе водолазов. Под давлением больших толщ воды воздух, точнее азот, оказывает на организм внезапное наркотическое действие, сходное с опьянением алкоголем. На глубине ниже 50 м водолазом овладевает беспричинное веселье, заглушается инстинкт самосохранения. Снабженный баллонами с гелиевым воздухом водолаз не испытывает состояния наркоза и может работать на глубине до 200 м.
 
Однако специфические недостатки обнаружились и у кислородно-гелиевой смеси. Обладая повышенной теплопроводностью, она быстро отводит тепло, что понуждает океанавтов работать при температурах 25—27° С. А на глубинах 150—200 м они порой испытывают дрожь и головокружение. Оптимальное решение задачи оказалось простым: гелием надо заменить не весь азот, а только большую его часть. Смесь из 21% О2, 18% N2 и 61 % Не позволяет погружаться на глубины до 300— 350 м.
 
Широко изучается вопрос использования гелия в атмосфере космических кораблей при длительных полетах. Исключение из дыхательной смеси азота или хотя бы большей его части устранит опасность наведенной радиации (в силу образования трития при воздействии космических лучей на азот), кессонной болезни и азотного наркоза, а также позволит уменьшить вес вентиляционного оборудования. Биологические исследования показали, что длительное дыхание гелиевым воздухом не вызывает отрицательных сдвигов в человеческом организме.
У гелиевого воздуха есть особенность: в нем голос взрослого человека становится мальчишески высоким, почти  пискливым и приобретает гнусавый оттенок. Причина в том,  что, проходя через голосовые связки много быстрее азота, гелий создает и меньший резонанс в звуковых полостях вокруг гортани.
 
Обособленное  место  занимает  применение  потоков заряженных  ядер  гелия — источников  радиоактивного излучения. По активности действия на вещество, особенно на живую ткань, α-частицы занимают одно из первых мест среди проникающих излучений. Однако малая длина пробега и, следовательно, малая проницаемость ограничивают сферу их применения. Обычно они используются при необходимости сконцентрировать эффект облучения в тонком слое вещества.
 
В Институте горного дела разработан метод контроля содержания легких элементов в рудах и продуктах их обогащения, основанный на применении ядерной реакции или наведенной α-частицами искусственной радиоактивности. По количеству нейтронов, выбиваемыхα-частицами и регистрируемых счетчиком, судят о концентрации бериллия, бора и фтора; по искусственной радиоактивности определяют содержание бора и алюминия. Применение α-излучения позволяет осуществлять непрерывный автоматический контроль содержания названных элементов, что усиливает гибкость управления технологическим процессом обогащения руд.
 
Один из эффективных способов снятия электростатических зарядов — ионизация окружающего воздуха, что позволяет заряду уйти в землю. К α-источникам для такой ионизации прибегают в тех случаях, когда требуемые разрядные токи не превышают  нескольких микроампер и разрядка происходит  в небольшом объеме.
Работа многих физических приборов сопряжена с электрическим разрядом в газах. Для прохождения тока через непроводящий газ требуется присутствие заряженных частиц. Их поставщиками в ряде случаев служат вводимые в приборы α-излучатели; они создают условия для возникновения разряда и его воспроизведения.
Существуют приборы, действие которых сводится к измерению токов в газах, ионизированных α-частицами. В частности, вакуумметры, известные под названием альфатронов, содержат радиевый препарат, экранированный тончайшей металлической фольгой. Испускаемое им α-излучение ионизирует находящийся в камере газ и создает ток, текущий между электродами, к которым приложено напряжение около 40 В.
 
Чрезвычайно   малая   сила    ионизационного   тока (10¹⁰— 10¹² А) в широких пределах пропорциональна давлению газа, поэтому, измеряя ток при помощи высокочувствительного усилителя, находят величину остаточного давления. Альфатрон применим в пределах давления 10—10 мм рт. ст., но в специально приспособленных приборах можно измерять давление до нескольких атмосфер.
При прохождении газового потока через ионизационную камеру ток изменяется тем значительнее, чем больше скорость газа. На этом основано применение α-излу-чения в анемометрах, измеряющих силу ветра, и в приборах для определения скорости протекания газов в трубопроводах. Ионизационные камеры имеются также в пожарных сигнализаторах, где используется способность газов, образующихся при тлении или горении органических веществ, снижать ионизационный ток.
 
Самосветящиеся составы на циферблатах часов, шкалах авиаприборов и т. п. содержат α-активные вещества, играющие роль возбудителей люминесценции у люминофоров.
Описаны случаи успешного применения α-излучения для стерилизации пищевых продуктов и предохранения приборов от плесени. Малые дозы α-облучения благоприятно сказываются на ускорении развития ростков овса, подсолнечника и тыквы. Облученные семена некоторых злаковых показали повышенную урожайность и устойчивость к болезни.
Статья на тему Применение гелия