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為應(yīng)對氦氣短缺，亞利桑那州立大學(xué)開始支持氦氣回收系統(tǒng)

發(fā)布時間:

2023-08-07 10:31

為了充分利用其供應(yīng)，亞利桑那州立大學(xué)為其磁共振研究中心配備了一個可持續(xù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可回收用于研究的氦氣。在那里，科學(xué)家們正在努力了解癌癥、疼痛感知和可降解塑料等課題。

近一個世紀(jì)以來，美國一直是世界上最大的氦供應(yīng)商。雖然美國氦氣行業(yè)歷史上由聯(lián)邦政府管理，但現(xiàn)在正轉(zhuǎn)變?yōu)樗綘I行業(yè)。由于過渡和聯(lián)邦氦儲備關(guān)閉，美國的氦產(chǎn)量下降?，F(xiàn)在，這種關(guān)鍵天然氣越來越多地來自卡塔爾、俄羅斯和阿爾及利亞等其他國家，但由于這些地區(qū)的不穩(wěn)定，價(jià)格和供應(yīng)并不穩(wěn)定。

氦是一種不可再生的資源，它是在地球深處作為放射性物質(zhì)（如鈾）衰變而產(chǎn)生的。氦逐漸向上冒出氣泡，雖然大部分氦逃離了地球表面，但有一小部分氦被困在地下致密的巖石圓頂之下，人們可以在那里提取氦。地球上有限的氦不斷減少，部分原因是氦氣極難被吸收。它的結(jié)構(gòu)很小，我們需要特殊的容器來裝它。一旦氦逃逸到空氣中，它就會穿過地球大氣層，進(jìn)入外層空間，永遠(yuǎn)離開地球。

盡管氦與娛樂息息相關(guān)，但它也有嚴(yán)肅的一面。它的體積很小，非常適合測試火箭和天然氣管道的泄漏。它不易燃，因此對于必須在充滿氣體的無菌室中制造微芯片的制造廠來說，這是一個安全的選擇。并且它可以在接近絕對零度（大約零下460華氏度）的液體形式存在，這是可能的最低溫度。它保持超冷的能力使得氦對于磁共振成像機(jī)至關(guān)重要。這些以進(jìn)行詳細(xì)的醫(yī)學(xué)掃描而聞名的MRI機(jī)器依賴于超導(dǎo)磁體。這些特殊的電磁體必須保持極冷才能正常工作，如果它們升高到一定溫度以上就會損壞。

ASU核磁共振研究中心依靠核磁共振成像和核磁共振波譜（就像原子的核磁共振成像）來完成工作，使氦成為關(guān)鍵資源。為了充分利用其供應(yīng)，安裝了一套專門為其設(shè)備和需求設(shè)計(jì)的氦氣回收系統(tǒng)。

在超導(dǎo)磁體內(nèi)部，液態(tài)氦冷卻劑逐漸沸騰成氣體，通過特殊密封的銅管網(wǎng)絡(luò)捕獲并輸送，使實(shí)驗(yàn)室看起來像是酒廠。這些氣體收集在巨大的袋子里，每個袋子可以裝16000升。一旦裝滿，袋子中的氣體被壓縮并儲存在中壓罐中。從罐中，氦氣被送到凈化器中，凈化器在轉(zhuǎn)化為液體之前去除任何水蒸氣、氧氣或氮?dú)?，從而將純液氦留在?shí)驗(yàn)室，以備再次使用。

ASU的16000升氦氣收集袋中的每一個都裝有足夠的氣體，可以裝滿約1135個氣球。“我們的長期目標(biāo)是回收和再循環(huán)至少85%的氦氣，”該中心的員工科學(xué)家和經(jīng)理Brian Cherry表示。“每五周，我就要給我的一個磁鐵充一次氣，如果一兩天內(nèi)我沒有得到氦氣，400萬美元的設(shè)備就沒了。所以，在我們節(jié)約資金和回收利用的同時，我們也在保護(hù)投資，不必依賴波動的市場。”其他大學(xué)也安裝了自己的回收系統(tǒng)，但Cherry指出，ASU的大型儲罐系統(tǒng)與其他大學(xué)有所不同。該中心希望展示使用回收系統(tǒng)的優(yōu)勢，并鼓勵診所、實(shí)驗(yàn)室和其他設(shè)施采用類似系統(tǒng)，更好地保護(hù)世界的氦氣供應(yīng)。

“自2022年6月以來，我們已經(jīng)捕獲了大約2500升液氦”核心研究設(shè)施運(yùn)營總監(jiān)Samrat Amin表示。以目前液氦的平均價(jià)格，回收系統(tǒng)已經(jīng)為該中心節(jié)省了約5.5萬美元。Amin補(bǔ)充道：“氦回收系統(tǒng)的成本節(jié)約占我們運(yùn)營預(yù)算的很大一部分。該系統(tǒng)不僅符合ASU的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，還確保了我們提供關(guān)鍵儀器的長期能力，為ASU的研究人員提供服務(wù)。”ASU恢復(fù)系統(tǒng)將在后臺工作，以支持大約150名使用核心設(shè)施的研究人員，以及教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、外部企業(yè)和合作者。

由于核磁共振機(jī)起著至關(guān)重要的作用，研究人員無法回避對氦的需求。這就是為什么，當(dāng)國家衛(wèi)生研究院宣布為核磁共振設(shè)備的氦回收系統(tǒng)提供資金時，王和范霍恩主動提出申請。現(xiàn)在，他們能夠繼續(xù)使用氦，并且使用得很好。“我認(rèn)為，在不久的將來，我們可能無法獲得足夠的氦氣，即使我們愿意支付不斷上漲的價(jià)格，”王說。“這個氦氣回收系統(tǒng)對整個設(shè)施的可持續(xù)性至關(guān)重要。”

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