हेलियम: एक परिचय
हेलियम (He) हे अणुक्रमांक २ असलेले एक रासायनिक मूलद्रव्य आहे. हायड्रोजननंतर हे विश्वातील दुसरे सर्वात हलके मूलद्रव्य आहे. नोबेल वायू असल्यामुळे, हेलियम निष्क्रिय आहे, याचा अर्थ तो सामान्य परिस्थितीत रासायनिक प्रतिक्रिया देत नाही. तो रंगहीन, गंधहीन आणि चवहीन असतो. त्याचा अत्यंत कमी उत्कलनांक (boiling point) असल्यामुळे तो विविध वैज्ञानिक आणि औद्योगिक उपयोगांमध्ये अत्यंत महत्त्वाचा आहे.
हेलियमचे सामान्य उपयोग
फुगे फुगवण्यासाठी
हेलियमच्या सर्वात परिचित उपयोगांपैकी एक म्हणजे फुगे फुगवण्यासाठी. हवेपेक्षा कमी घनता असल्यामुळे, हेलियम भरलेले फुगे तरंगतात. या गुणधर्माचा उपयोग सजावटीच्या पार्टी फुग्यांसाठी तसेच वैज्ञानिक हवामान फुग्यांसाठी केला जातो. भारतात, भारतीय हवामान विभाग (IMD) हवामानाचा अंदाज घेण्यासाठी तापमान, आर्द्रता आणि वातावरणातील दाब यावरील माहिती गोळा करण्यासाठी उपकरणांसह (रेडिओसॉन्ड्स) हेलियमने भरलेले हवामान फुगे नियमितपणे वरच्या वातावरणात सोडतो.
एमआरआय स्कॅनर्समध्ये क्रायोजेनिक शीतलीकरण
हेलियमचा अत्यंत कमी उत्कलनांक (4.2 K किंवा -269 °C) त्याला सुपरकंडक्टिंग मॅग्नेट थंड करण्यासाठी एक आवश्यक क्रायोजेन (शीतलक) बनवतो. भारतातील रुग्णालयांमध्ये वैद्यकीय निदानासाठी मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे मॅग्नेटिक रेझोनन्स इमेजिंग (MRI) स्कॅनर्स अशा मॅग्नेटवर अवलंबून असतात. द्रव हेलियम या मॅग्नेटला सुपरकंडक्टिंग स्थितीत ठेवतो, ज्यामुळे मानवी शरीराच्या उच्च-रिझोल्यूशन इमेजिंगसाठी आवश्यक असलेली शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रे तयार होतात.
वेल्डिंगसाठी निष्क्रिय संरक्षणात्मक वायू
विविध औद्योगिक वेल्डिंग प्रक्रियेमध्ये, विशेषतः अॅल्युमिनियम आणि मॅग्नेशियमसारख्या प्रतिक्रियाशील धातूंच्या आर्क वेल्डिंगमध्ये, वेल्ड जोडणीचे ऑक्सिडेशन आणि दूषितीकरण टाळण्यासाठी निष्क्रिय वातावरणाची आवश्यकता असते. हेलियम, एक निष्क्रिय वायू असल्यामुळे, एक उत्कृष्ट संरक्षणात्मक वायू म्हणून काम करतो. आर्गॉनच्या तुलनेत त्याची उच्च थर्मल कंडक्टिव्हिटी (उष्णता वाहकता) जलद वेल्डिंग गती आणि खोल प्रवेशास अनुमती देते, ज्यामुळे भारतातील उत्पादन उद्योगांना, ज्यात एरोस्पेस आणि ऑटोमोटिव्ह घटक उत्पादनाचा समावेश आहे, फायदा होतो.
गळती शोधणे
हेलियमचा लहान अणू आकार आणि निष्क्रिय स्वरूपामुळे तो व्हॅक्यूम सिस्टीम आणि उच्च-दाबाच्या कंटेनरमधील गळती शोधण्यासाठी आदर्श ठरतो. जेव्हा एखाद्या घटकामध्ये गळती असल्याचा संशय येतो, तेव्हा त्यात हेलियमने दाब दिला जातो आणि हेलियम मास स्पेक्ट्रोमीटर नंतर गळतीच्या ठिकाणांहून बाहेर पडणाऱ्या हेलियमचे सूक्ष्म प्रमाण शोधू शकतो. ही पद्धत पाइपलाइन, रेफ्रिजरेशन सिस्टीम आणि सेमीकंडक्टर उत्पादन उपकरणांची अखंडता सुनिश्चित करण्यासाठी महत्त्वाची आहे.
क्रायोजेनिक संशोधन आणि विशेष अनुप्रयोग
एमआरआय व्यतिरिक्त, द्रव हेलियम विविध प्रगत क्रायोजेनिक संशोधन अनुप्रयोगांमध्ये अपरिहार्य आहे. भारतातील संशोधन संस्थांमध्ये सुपरकंडक्टर, क्वांटम कॉम्प्युटिंग आणि इतर मूलभूत भौतिकशास्त्र प्रयोगांचा अभ्यास करण्यासाठी आवश्यक असलेले अति-कमी तापमान प्राप्त करण्यासाठी याचा वापर केला जातो. याव्यतिरिक्त, ऑप्टिकल फायबरच्या उत्पादनासारख्या विशेष औद्योगिक प्रक्रियांमध्ये, स्वच्छ, निष्क्रिय वातावरण राखण्यासाठी हेलियमचा वापर केला जातो.
पृथ्वीवर नैसर्गिकरित्या आढळणे
हेलियम पृथ्वीच्या वातावरणात मोठ्या प्रमाणात सहज उपलब्ध नाही; ते केवळ अंदाजे ०.०००५२% (प्रमाणानुसार) असते. हेलियमचा प्राथमिक स्थलीय स्रोत म्हणजे पृथ्वीच्या कवचातील युरेनियम आणि थोरियम सारख्या जड मूलद्रव्यांचा किरणोत्सर्गी क्षय (radioactive decay). या क्षयादरम्यान उत्सर्जित होणारे अल्फा कण हे मूलतः हेलियम केंद्रक असतात, जे नंतर इलेक्ट्रॉन पकडून तटस्थ हेलियम अणू तयार करतात. हा हेलियम भूगर्भीय कालावधीत नैसर्गिक वायूच्या ठेवींमध्ये अनेकदा अडकून राहतो. युनायटेड स्टेट्स, कतार, अल्जेरिया आणि रशिया यांसारख्या देशांमध्ये हेलियम-समृद्ध नैसर्गिक वायूचे मोठे साठे आढळतात. भारताच्या स्वतःच्या नैसर्गिक वायू साठ्यांमध्ये सामान्यतः हेलियमचे प्रमाण खूप कमी असते, त्यामुळे आपल्या हेलियमच्या गरजांसाठी भारत मोठ्या प्रमाणात आयातीवर अवलंबून आहे.
औद्योगिक निष्कर्षण आणि उपयोग
हेलियमचे औद्योगिक निष्कर्षण मुख्यतः नैसर्गिक वायू प्रक्रियेचा उप-उत्पादन (byproduct) म्हणून होते. हेलियम-समृद्ध क्षेत्रांमधून मिळणाऱ्या नैसर्गिक वायूला फ्रॅक्शनल डिस्टिलेशन नावाच्या प्रक्रियेतून नेले जाते. यात नैसर्गिक वायूला अत्यंत कमी तापमानापर्यंत थंड केले जाते. तापमान कमी झाल्यावर, नैसर्गिक वायूचे मिथेन, प्रोपेन आणि ब्युटेनसारखे विविध घटक त्यांच्या संबंधित उत्कलनांकावर द्रवरूप होतात. हेलियमचा सर्व मूलद्रव्यांमध्ये सर्वात कमी उत्कलनांक असल्यामुळे, इतर घटक द्रवरूप झाले तरी तो वायू अवस्थेतच राहतो. हे वायुरूप हेलियम नंतर औद्योगिक आणि वैज्ञानिक उपयोगांसाठी आवश्यक शुद्धता पातळी प्राप्त करण्यासाठी क्रायोजेनिक डिस्टिलेशनच्या मालिकेद्वारे शुद्ध केले जाते. शुद्ध केलेला हेलियम नंतर वायू म्हणून संकुचित (compressed) करून साठवला जातो किंवा वाहतूक आणि वितरणासाठी त्याच्या द्रव अवस्थेत आणखी थंड केला जातो, ज्याचा वापर भारतातील वैद्यकीय, संशोधन आणि उत्पादन यासह विविध क्षेत्रांमधील वापरकर्त्यांसाठी केला जातो.