Hel – niezwykły i niezbędny

Na początku był wodór, ale zaraz potem powstał hel

Ten niesamowity pierwiastek stanowi niemal 1/4 masy Wszechświata (mowa oczywiście o materii „zwykłej”, czyli barionowej), choć na Ziemi jest go niewiele. Bardzo go potrzebujemy, a w niedalekiej przyszłości może stać się kluczowy. Zacznijmy jednak od początku. Pierwotny Wszechświat składał się z promieniowania, z którego powstały cząstki subatomowe. Największymi z nich są protony i neutrony. Protony są jądrami wodoru, najlżejszego pierwiastka w układzie okresowym. Gdy proton połączy się z neutronem, otrzymujemy cięższy izotop wodoru, czyli deuter. Powstające jądra deuteru dość szybko ulegały rozpadowi na protony i neutrony, a to za sprawą wysokoenergetycznych fotonów. Dopiero gdy Wszechświat nieco się schłodził, jądra deuteru (deuterony) mogły żyć na tyle długo, aby wchodzić w kolejne reakcje. Gdy deuteron napotykał swobodny proton, powstawało jądro lżejszego izotopu helu, znanego jako hel-3. Reakcja ta wymaga solidnego wkładu energii, ponieważ mamy tu do czynienia ze zderzeniem dwóch elementów mających ładunek dodatni – konieczne jest więc pokonanie siły odpychania elektrostatycznego. Drugą reakcją, która wówczas zachodziła, było tworzenie helu-3 poprzez zderzenia dwóch deuteronów, choć w tym procesie mógł także powstawać najcięższy, promieniotwórczy izotop wodoru, tryt (wodór-3). I dopiero hel-3 oraz wodór-3 są substratami, z których (w reakcji z deuterem) powstaje bardzo trwałe jądro helu-4, zawierające dwa protony oraz dwa neutrony. Ten etap ewolucji kosmosu nazywany jest nukleosyntezą pierwotną albo nukleosyntezą Wielkiego Wybuchu. Schematycznie rzecz biorąc z czterech protonów powstaje niezwykle stabilne jądro helu-4, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Do zainicjowania tej reakcji wymagana jest niezwykle wysoka temperatura, rzędu milionów stopni.

Schemat cyklu Bethego (cyklu protonowo-protonowego)

źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

W trakcie pierwotnej nukleosyntezy powstają też, choć w niewielkiej ilości, jądra nieco cięższych pierwiastków – litu i berylu, ale one istnieją bardzo krótko, ponieważ ulegają rozpadowi, którego produktem są ponownie jądra helu-4. Warto też wspomnieć o procesie zwanym 3-α, w którym we wnętrzach gwiazd z trzech jąder helu powstaje trwałe jądro węgla-12. Zgodnie z obecną wiedzą kosmologiczną cały istniejący we Wszechświecie węgiel powstał właśnie w potrójnym procesie alfa. Możemy więc spokojnie powiedzieć, że całe ziemskie życie organiczne (łącznie z nami) jest tak naprawdę dalekim efektem procesu 3-α.

Hel jest pierwiastkiem, który został najpierw odkryty na Słońcu, a nie na Ziemi. W połowie XIX w. francuski astronom Pierre Jules Jansen znalazł w emisyjnym widmie słonecznym nieznaną wcześniej żółtą linię, którą pierwotnie przypisał do sodu. Krótko później uznano jednak (Lockyer, Frankland), że linia ta pochodzi od pierwiastka, którego wcześniej nie zaobserwowano na Ziemi, co było wielkim zaskoczeniem. Nazwa helu pochodzi właśnie od greckiej nazwy Słońca. Dopiero kilkadziesiąt lat później szkocki chemik, sir William Ramsay, wyizolował niewielkie ilości helu z kleweitu, rudy uranowej.

Hel na Ziemi

W kosmosie hel jest wszechobecny, ale na Ziemi należy on do dość rzadkich. W naszej atmosferze stanowi zaledwie 5,2 ppm (części na milion – objętościowo). Co więcej, ponieważ jest niezwykle lekki, w sposób ciągły ulatuje on z atmosfery. Na szczęście jego zawartość jest cały czas uzupełniana. Nowe jądra helu docierają do Ziemi jako część promieniowania kosmicznego, ale głównym źródłem tego pierwiastka jest naturalny rozpad promieniotwórczy ciężkich jąder atomowych, takich jak uran i tor. Wydzielający się w nim hel wędruje powoli przez skały, trafiając w końcu w miejsca, w których gromadzi się gaz ziemny. I to właśnie gaz ziemny jest głównym źródłem przemysłowego helu (może w nim go być nawet do 7%). Aby go oddzielić od innych składników, wykorzystujemy fakt, że w temperaturze powyżej -268 °C jest on gazem. Dlatego też wystarczy powoli schładzać gaz, aby najpierw skropliły się węglowodory, następnie azot i argon. Pozostały gaz to hel, który należy jeszcze dokładniej oczyścić. Pierwsza instalacja kriogenicznego pozyskiwania helu powstała w USA, ale niedługo później w Odolanowie (Wielkopolska) uruchomiono bardzo nowoczesny polski system otrzymywania helu. Polska jest znaczącym producentem tego gazu (ok. 3 mln m³ rocznie, z czego ponad 2/3 trafia na eksport). Inną metodą otrzymywania helu jest destylacja frakcyjna powietrza. Jest to niestety metoda droga, ponieważ zawartość helu w powietrzu wynosi zaledwie ok. 0,0005%.

Nietypowy

Hel jest lekkim, a do tego niepalnym gazem, dlatego już dawno temu zaczął być wykorzystywany do napełniania aerostatów, takich jak sterowce, ale też baloników urodzinowych.
Prawdopodobnie wielu z Czytelników wie, że efektem krótkiego oddychania helem jest śmieszny, nienaturalnie wysoki głos. Wynika to z tego, że prędkość rozchodzenia się dźwięku w tym gazie jest około trzykrotnie większa niż w powietrzu. Chciałbym jednak uprzedzić przed zbyt długim wdychaniem helu do płuc, ponieważ może to spowodować niedobór tlenu niezbędnego do życia.
Bardzo istotna jest nadciekłość helu. Zjawisko to polega na całkowitym zaniku lepkości, który ma miejsce, gdy ciekły hel ochłodzi się do temperatury -271 °C (2,17 K). Jeśli tak zimny ciekły hel zostanie wpuszczony w obieg zamknięty, będzie samoistnie krążył w nim w sposób ciągły. Co więcej, próbka helu pozostawiona w otwartym naczyniu będzie samoistnie tworzyć cienką warstwę na ściance i wypełzać z naczynia. Nadciekłość jest spowodowana bardzo specyficznymi właściwościami kwantowymi. No i jeszcze jedno – hel jest jedynym pierwiastkiem, którego pod normalnym ciśnieniem nie da się przeprowadzić w stan stały.
Do niedawna uważano, że hel, będący gazem szlachetnym, nie jest w stanie tworzyć żadnych związków chemicznych. Oczywiście stało się to wyzwaniem dla uczonych. Dopiero w 2016 r. doniesiono o uzyskaniu prostego związku – Na₂He, czyli helku disodu. Nie da się go otrzymać w zwykłych warunkach. Niezbędne jest olbrzymie ciśnienie (ponad milion atmosfer) oraz temperatura 1200 °C. Teoretycznie może istnieć podobny związek z potasem, ale jak na razie nie ma szans, aby to sprawdzić eksperymentalnie, ponieważ niezbędne byłoby uzyskanie ciśnienia rzędu miliarda atmosfer.
Tu warto dodać, że w kosmosie znaleziono jony HeH⁺, będącego prawdopodobnie pierwszym połączeniem dwóch różnych atomów powstałym na samym początku ewolucji Wszechświata.

W służbie nauki

Wyjątkowe właściwości helu są wykorzystywane w nauce i diagnostyce. Wielki Zderzacz Hadronów w ośrodku CERN wykorzystuje niemal 100 ton ciekłego helu-4 do chłodzenia niobowo-tytanowych magnesów nadprzewodzących. W tym przypadku istotne jest to, że hel wykazuje doskonałą przewodność cieplną (400x większą niż srebro). Ale zderzacz to jedna z setek tysięcy aparatur, które wymagają ciekłego helu. Każdy, kto choć raz miał robione badanie metodą rezonansu magnetycznego, zawdzięcza diagnostykę właśnie ciekłemu helowi. Aparatura MRI (magnetic resonance imaging) wymaga obecności silnych magnesów nadprzewodzących, a one z kolei muszą być chłodzone. Hel krąży tam w obiegu zamkniętym, ale wymaga stałego uzupełniania, a czasem wymiany. Dopóki nie opanujemy produkcji nadprzewodników wysokotemperaturowych, będziemy zależni od tego cennego pierwiastka.
Zalety helu doceniają także nurkowie. Ze względu na niską gęstość mamy tu do czynienia z małymi oporami oddechowymi, co jest szczególnie istotne przy nurkowaniu na dużych głębokościach. Ważne też jest to, że ma on znacznie mniejsze działanie narkotyczne niż azot. Dlatego też najczęściej stosuje się mieszankę tlen-azot-hel, znaną jako trimix. Bardzo istotną sprawą jest dobór odpowiedniego składu procentowego mieszanki – nurkowanie na trimixie jest tylko dla bardzo doświadczonych nurków. Warto wiedzieć, że hel czasami może oddziaływać negatywnie na organizm nurka, wywołując HPNS – zespół neurologiczny wysokich ciśnień, spowodowany pobudzeniem centralnego układu nerwowego.

Cenny hel-3

Oprócz helu-4 mamy lżejszy izotop tego pierwiastka – hel-3, który w jądrze ma tylko jeden neutron. Pisał o nim w 2024 r. Wiesław Seweryn. Jest go zdecydowanie mniej niż izotopu ⁴He, ale ma wiele niesamowicie istotnych zastosowań, m.in. detekcja neutronów. Jądro helu-3, w które trafi neutron, ulega reakcji jądrowej, dając jądro trytu (czyli najcięższego izotopu wodoru), który jest izotopem promieniotwórczym. Pozostaje więc tylko wykrycie emitowanego promieniowania gamma. Detektory neutronów zawierające hel-3 pozwalają na efektywne wykrywanie niebezpiecznych pierwiastków promieniotwórczych, służących m.in. do konstrukcji broni jądrowej, takich jak pluton. Dzięki zastosowaniu tego typu sprzętu wykrywającego możliwa jest detekcja tzw. bomb walizkowych.
Izotop ten znalazł też zastosowanie w diagnostyce medycznej. Odpowiednio spolaryzowany optycznie hel-3 jest dostarczany do płuc, po czym wykonywany jest rezonans magnetyczny (MRI). Uzyskiwany obraz jest znacznie dokładniejszy niż w przypadku zwykłego rezonansu czy też tomografii.

Czysta energia

Największe nadzieje budzi zastosowanie helu-3 w energetyce. Tutaj znowu chcemy w jakimś stopniu naśladować naturę, a konkretnie procesy zachodzące w gwiazdach. W tym przypadku proponuje się wykorzystanie reakcji pomiędzy jądrem deuteru (ciężki izotop wodoru zawierający jeden proton i jeden neutron) oraz jądrem helu-3. W procesie tym powstają stabilne jądro helu-4 oraz proton. Jest to klasyczny przykład fuzji jądrowej, a więc reakcji, która do inicjacji wymaga olbrzymiego nakładu energii. Gdy jednak uda się zapalić helowo-deuterowe słońce, otrzymamy źródło czystej energii, ponieważ w wyniku fuzji nie powstają niebezpieczne odpady promieniotwórcze.
Konstrukcje reaktorów fuzyjnych są rozwijane na całym świecie. To jest jeden problem do rozwiązania, ale trzeba już myśleć o drugim – paliwie. Zasoby helu-3 na Ziemi są bardzo ograniczone. Wiemy jednak, że można go znaleźć w kosmosie, nawet całkiem blisko. Już w 1986 r. Gerald Kulcinski, profesor inżynierii nuklearnej z USA, zaproponował wydobycie helu-3 z regolitu księżycowego. Pomysł powstał na bazie analizy próbek skał księżycowych przywiezionych przez misje Apollo. Okazało się, że zawartość helu-3 w tych skałach sugeruje, iż warto pokusić się o stworzenie kopalni tego surowca na Księżycu i sprowadzać go na Ziemię. Nadal jednak nie wiadomo, czy tego typu operacja będzie opłacalna ekonomicznie – szacuje się, że do uzyskania 1 tony helu-3 trzeba będzie przerobić 100 mln t regolitu. A patrząc jeszcze bardziej perspektywicznie – wielka ilość helu-3 znajduje się na Jowiszu i innych gazowych olbrzymach. Owszem, to na razie wizja rodem z science fiction, ale jedno jest pewne – hel jest i będzie nam bardzo potrzebny.

Autor

Mirosław Dworniczak

Jestem emerytowanym chemikiem, który nadal pisze o rozmaitych sprawach, głównie na łamach miesięcznika „Wiedza i Życie”. Interesuję się naukami ścisłymi, twórczością Leonarda Cohena, popularyzuję e-papierosy jako metodę wychodzenia z nałogu palenia tytoniu. Słucham dobrej muzyki z lat 60. i 70. oraz tzw. piosenki autorskiej (poezji śpiewanej). Bardzo lubię czytać książki – różne, różniste.
Twitter: Mirek „Stary Chemik”
BlueSky: ‪@oldchemist.bsky.social‬

Ostatnie wpisy

Archiwum autora

• chemia29 października 2025Hel – niezwykły i niezbędny
• EM poleca15 października 2025EM poleca (#31) Karol Bączkowski – Książka o pierwszej pomocy napisana przez życie
• chemia8 października 2025Nobel 2025 z chemii: szkielety albo szukanie dziury w całym
• EM poleca17 września 2025EM poleca (#29) – Alice Lugen – „ZATO. Miasta zamknięte w Związku Radzieckim i Rosji”