Forskere frygter, at vi løber tør for helium
Det er ikke kun problemet med plastikaffald, der er skyld, i at vi bør afholde os at købe heliumballoner. Men hvordan kan der være mangel på et grundstof, som naturen selv producerer?
helium ædelgas ressource plastikaffald ballon solen universet Big Bang periodiske system forbud MR-scanner grundstof hydrogen atom proton elektron betastråling sten atmosfære naturgas folieballon varmluft Hindenburg neongas

Verden står overfor en heliumkrise. Derfor forbød flere norske kommuner salget af balloner fyldt med grundstof nummer 2. (Foto: Shutterstock)

Frygten for plastikaffald løb af med opmærksomheden, da flere norske kommuner forbød salget af heliumballoner i anledning af den norske nationaldag 17. maj.

Et andet argument spiller dog også en rolle i Norges kommunale forbudsvedtægter; verden står nemlig overfor en heliumkrise.

Det er ikke første gang, at der bliver advaret mod overforbrug af helium. I 2010 advarede den nu afdøde fysikprofessor Robert Richardson om, at der var fare på færde.

Tabt for evigt

»Når helium slipper løs i atmosfæren, er det tabt for bestandig,« fortalte han ifølge det britiske dagblad The Independent.

Nobelprisvinderen Robert Richardson mente, at prisen på en heliumballon burde nærme sig 1.000 kroner for at afspejle, helt hvor værdifuld heliumgassen egentlig er.

Hver heliumballon, vi køber, »er en værdifuld ressource, som er gået til spilde for bestandig«‚ skriver den svenske kemiker Lars Öhrström i sin bog 'The Curious Tales from Chemistry'.

Vigtigere ting end Tivoli-halløj

Helium kan nemlig bruges på en del områder, som de fleste nok vil være enige i, er end hel del vigtigere end lidt barnlig sjov og ballade – og den efterfølgende tudetur, når ungerne giver slip på ballonen.

Den Anders And-stemme, vi får, hvis vi inhalerer helium, hører heller ikke under kategorien 'vigtigere'.

Stemmen er for øvrigt en følge af, at heliums tæthed er mindre end atmosfærisk luft, hvilket betyder, at lyden bevæger sig tre gange hurtigere gennem helium end luft.

Det er for eksempel langt vigtigere, at hospitalernes MR-skannere er afhængige af det flygtige grundstof.

MR-skannerne anvender nemlig elektromagneter med en bevikling, der holdes i superledende tilstand ved konstant afkøling til meget nær det absolutte nulpunkt ved hjælp af flydende helium og flydende kvælstof, så lægerne kan se, hvad kroppen fejler.

Flydende helium er noget af det koldeste, som findes. Kogepunktet er helt nede på -269 °C. Det er lige over det absolutte nulpunkt.

Forskerne har også stor glæde af helium. 

Den enorme partikelaccelerator Large Hadron Collier i Cern bruger 96 ton flydende helium for at holde temperaturen nede, skriver John Emsley i 'Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements'.

24 procent af universet

På trods af advarsler om mangel og forbudstrusler er helium faktisk det næsthyppigste grundstof i Universet.

En 1/4 af massen derude er helium. De resterende 3/4 består af hydrogen.

Alle andre grundstoffer udgør ikke mere end et par procentdele tilsammen.

Fordelingen skyldes blandt andet, at hydrogen og helium allerede blev dannet i løbet af The Big Bang.

Der blev også dannet helium inde i stjerner som vores sol. Når stjernerne dør og eksploderer, sender de mere helium ud i det store intet.

helium ædelgas ressource plastikaffald ballon solen universet Big Bang periodiske system forbud MR-scanner grundstof hydrogen atom proton elektron betastråling sten atmosfære naturgas folieballon varmluft Hindenburg neongas

MR-skannere holdes i superledende tilstand ved konstant afkøling til meget nær det absolutte nulpunkt ved hjælp af flydende helium og flydende kvælstof. (Foto: Shutterstock)

0,0005 procent af luften

Så hvordan går det til, at helium udgør blot 0,0005 procent af luften, som vi indånder? Altså fem milliontedele?

Det skyldes blandt andet akkurat den samme egenskab, som gør, at helium egner sig så godt til balloner: Heliumgassen er lettere end luft.

»Helium går bare én vej – og det er ud,« siger professor Reidar Trønnes, Naturhistorisk Museum og Center for Jordens Udvikling, Universitetet i Oslo.

Vil være alene

Helium er en ædelgas; kolonnen helt til højre i det periodiske system. I modsætning til de fleste andre grundstoffer viser ædelgasserne ikke udbredt interesse i at indgå i reaktioner eller bindinger med andre.

Årsagen til den kemiske inaktivitet er, at ædelgassernes yderste elektronskal er fyldt.

Gasserne lever i en lykkestilstand, som alle andre atomer stræber efter, når de optager eller afgiver elektroner. 

Derfor er der ingenting, som stopper heliumatomerne, når de først er sluppet ud i luften.

De støder måske på et molekyle hér og et atom dér, men ellers fortsætter de upåvirkede ud mod verdensrummet.

helium ædelgas ressource plastikaffald ballon solen universet Big Bang periodiske system forbud MR-scanner grundstof hydrogen atom proton elektron betastråling sten atmosfære naturgas folieballon varmluft Hindenburg neongas

Det moderne periodiske system i 18-søjle-layout. Ædelgasserne ligger helt til højre og helium øverst i yderste højre søjle. (Illustration: WikiMedia)

Hydrogen, som er en smule lettere end helium, lever derimod fanget på Jorden blandt andet i form af H2O, altså vand, men også i mineraler dybt inde i vores planet.

»Hydrogen og de andre grundstoffer, bortset fra de lette ædelgasser helium og neon, recirkuleres dybt inde i Jordens indre,« fortæller Reidar Trønnes til Forskning.no, Videnskab.dk’s norske søstersite.

Han taler om en geologisk betydning af tid, hvor millioner af år er som sekunder.

»Jordens plader synker ind i den flydende kappe og tager alle grundstofferne med sig,« forklarer Reidar Trønnes.

Danner konstant nyt helium

På samme tid, som helium forsvinder til vejrs, så snart det slipper løs, dannes der hele tiden nyt helium inde i Jorden. Det sker især ved fission af uran og thorium.

Atomkerner af uran og thorium er ustabile, og på et eller andet tidspunkt nedbrydes de og bliver til lettere grundstoffer.

Denne proces fortsætter, til de er stabile blyatomer.

»Imens frigøres helium,« siger professor Reidar Trønnes til Forskning.no.

Heliumatomet opstår, når en såkaldt alfapartikel slipper fri. Nedbrydningen kan også producere betapartikler (elektroner) og gammastråler, men i denne sammenhæng er det alfapartiklerne, som er interessante.

De består nemlig af to protoner og to neutroner og er identiske med en heliumkerne. Helium er grundstof nummer to og består netop af to protoner.

»Heliumkernerne opfanger elektroner fra for eksempel betastråling. De kan også tage elektroner fra andre grundstoffer,« fortæller Reidar Trønnes.

Masser af helium på Jupiter

Jupiter indeholder måske helt op til 10 procent helium. 1/4 af atmosfæren på kæmpeplaneten er helium.

Gennem sten

Heliumatomet er ganske tilfreds med to elektroner og undgår enhver form for binding til andre atomer.

Men det har ikke til hensigt at forblive inde i Jorden. Det vil ud. Og så er det en fordel at være lille. Et heliumatom kan nemlig bevæge sig gennem sten.

Uanset hvor hård stenen føles, når du holder den i hånden, består den på atomniveau af krystaller, hvor flere atomer er bundet sammen i mineraler.

»Heliumatomerne er så bittesmå, at de kan hoppe rundt i mineralerne, og på denne måde bevæge sig rundt meget hurtigt,« siger Reidar Trønnes.

Selvom mineralerne i stenen er bundet sammen, findes der åbninger i krystalgitteret, og de hulrum udnytter heliumatomerne til at hoppe fra hulrum til hulrum.

Det er især fra vulkaner og varme kilder, at heliumet finder vej ud.

»Kan små heliumatomer også pible op af jordbunden?«

»Ja, ja helt bestemt,« siger Reidar Trønnes.

Men de er selvfølgelig alt for små til, at vi kan gøre os håb om at fange dem til en hjemmelavet luftballon.

Fra naturgas

Det helium, som bliver brugt i sundhedsvæsenet, i forskningen og i Tivoli-ballonerne, så længe det forsat er lovligt, kommer hovedsgaligt fra naturgas. Det forklarer Periodesystemet.no – et websted produceret af kemikere ved Universitetet i Oslo.

»Helium er fanget i porøse bjergarter, der fungerer som en slags olie- og naturgaslagre,« skriver Svein Stølen på websiden.

Det er vist nok ikke særlig vanskeligt at skille helium fra andre gasarter i naturgassen.

helium ædelgas ressource plastikaffald ballon solen universet Big Bang periodiske system forbud MR-scanner grundstof hydrogen atom proton elektron betastråling sten atmosfære naturgas folieballon varmluft Hindenburg neongas

Helium-anlæg, Amarillo i Texas, USA. (Foto: US Bureau of Land Management)

I USA har man længe haft tilgang til helium fra store gasbrønde, og også Algeriet og Qatar har store reserver.

I 2016 blev store underjordiske heliumkilder opdaget i Tanzania; et fund, som strøg ind på listen over højdepunkter fra videnskabsåret 2016.

Prisen for helium skød til vejrs, da Qatar for nylig blev tvunget til at stoppe produktionen.

Forskerne er nu bekymrede for både den høje pris, og for at der ikke er nok helium til livsvigtige opgaver.

»Jeg er meget bekymret,« sagde forskeren Sophia Hayes, som bruger en hel del helium til sin forskning, til tidsskriftet Nature sidste år.

Ifølge tidsskriftet er forskerne, som er afhængige af helium, nu ved at organisere sig; både for at holde priserne nede og for at stå bedre rustede mod et potentielt forsyningssammenbrud.

Er der mangel på helium?

Men hvordan kan der opstå mangel på helium, hvis grundstoffet produceres kontinuerligt?

Der er mange, som mener, at frygten for at løbe tør for helium er overdrevet.

Økonomen Tim Worstall mener for eksempel, at det er forkert at kalde helium for en ikke-fornybar ressource; netop fordi nye heliumatomer hele tiden bliver dannet.

I magasinet Forbes skriver han, at frygten skyldes en misforståelse af, hvad en 'reserve' rent faktsik er.

»Egentlig er det et økonomisk begreb, som betyder: 'mængden, der i et vist omfang er til rådighed'« skriver Tim Worstall.

Han mener ikke, at det siger noget som helst om, hvor meget der egentlig findes, eller hvor meget vi vil være i stand til at producere på længere sigt.

Der er meget helium i naturgas, som vi endnu ikke har hentet op, ifølge Tim Worstall.

Handler om pris

Dét argument køber Irina Slab, Oilprice.com, ikke.

»Det drejer sig om små mængder helium, og det skal også være økonomisk forsvarligt,« skriver Irina Slav, der tror, at verden forsat vil bekymre sig om heliummanglen.

»Det er altid et spørgsmål om omkostninger,« siger professor Stein-Erik Lauritzen ved Universitetet i Bergen i en email til Forskning.no, Videnskab.dk's norske søstersite. Han fortsætter:

»Tim Worstall mener, at den teknologiske udvikling vil være i stand til at ekstrahere det meste; selv fra lave koncentrationer. Teoretisk set er det nok muligt, men jeg ved ikke, om nutidens teknologi kan klare det til en overkommelig pris.«

Ifølge NRK blev prisen på helium seksdoblet mellem 2001 og 2016.

Vanskelig at holde fanget

Når hospitalerne og forskerne bruger helium, forsøger de selvfølgelig så vidt muligt at passe på det. Men det er ikke helt nemt.

»Vi passer på det så meget som muligt, men vi kan ikke opbevare det særlig længe, fordi atomerne er så små. De kan trænge igennem det meste,« fortæller Reidar Trønnes.

Ja, endda igennem proppen i den glasflaske, som heliumet er opbevaret i.

Folieballon

Heliumatomernes størrelse betyder også, at heliumballoner ikke er fremstillet af det samme materiale som almindelige balloner.

»Gummiballoner har bitte små porer, og det betyder, at heliumatomerne kan undslippe forholdsvis let,« skriver Periodesystemet. Nylon belagt med aluminium har ikke de samme porer, så derfor holder ballonerne sig opblæste meget længere.

Der går dog ikke mange dage, før tilstrækkelig mange heliumatomer alligevel har fundet vej ud, og ballonen ikke længere hænger helt oppe under loftet.

Efterhånden som ballonen synker ned mod gulvet, forsvinder heliumet ud i evigheden for aldrig igen at blive fanget.

Kan vi bruge noget andet end helium?

Hvis vi lige for kort et øjeblik ser bort fra forureningsproblematikken, er det noget andet, som vi kunne bruge til at holde ballonerne oppe?

Vi kunne bruge hydrogen, som er en smule lettere end helium. Men det gør vi ikke. Hydrogengas er nemlig så eksplosiv, at det ville svare til at lade ungerne rende rundt med en tikkende bombe lige over hovedet.

Varmluft er en mulighed; kendt fra varmluftsballoner, men så er der lige det med ild og små børn, så måske ikke alligevel.

Neon – endnu en ædelgas – er også en smule lettere end luft, dog ikke særligt meget, så det ville nok ende med at blive en temmelig slap ballon. Én kubikmeter neongas kan nemlig ikke bære mere end 300-400 gram.

Det kan i hvert fald ikke måle sig med helium. Én kubikmeter heliumgas kan bære et kilo, skriver John Emsley i bogen 'Nature's Building Blocks'.

En kubikmeter hydrogen kan løfte 1,4 kilo, men selvom den er 'vinderen' i denne sammenhæng, er det til ingen verdens nytte, hvis den eksploderer.

Heliummanglen bag Hindenburg-katastrofen

Helium blev opdaget på Jorden i 1895. 30 år tidligere blev helium observeret i solen.

Først i 1920'erne blev helium for alvor taget i brug, og i 1921 luftsatte U.S.Navy det første heliumfyldte luftskib 'Shenandoah'.

helium ædelgas ressource plastikaffald ballon solen universet Big Bang periodiske system forbud MR-scanner grundstof hydrogen atom proton elektron betastråling sten atmosfære naturgas folieballon varmluft Hindenburg neongas

6. maj 1937 gik der ild i det kæmpestore tyske luftskib Hindenburg, mens det var ved at lande ved Lakehurst nær New Jersey i USA. Luftskibet var sprængfyldt med brint, som fik skibet til at eksplodere. (Foto: WikiMedia)

De følgende 20 år gik luftskibene i rutefart mellem kontinenterne, men det var kun amerikanerne, der havde helium nok.

Defor var de øvrige lande nødt til at bruge den langt mere farlige hydrogengas (brint).

Men så gik det galt.

Den enorme tyske zeppeliner LZ 129 Hindenburg brød i brand under en landing ved Lakehurst, New Jersey, USA, 6. maj 1937.

Det tyske luftskib havde allerede gennemført adskillige ture, før Hindenburg-katastrofen kostede 36 menneskeliv.

Så helium er nok alligevel den bedste idé.

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.