Hoppa till huvudinnehåll

150 år sedan helium upptäcktes i solens atmosfär - men vet du varför den får dig att låta som Kalle Anka?

heliumballonger
heliumballonger helium

Helium, gasen vi känner som ballongfyllning fyller år idag (18 augusti). Eller gasen i sig fyller inte år, men upptäckten av gasen har jubileum. Gasen i sig har varit med ända sedan Big Bang och är det näst vanligaste ämnet i universum.

Alla har vi hört om gasen, vi har sett den i högstadie- och andrastadiets utbildning. Ifall du inte minns den från fysiken eller från kemin kanske du kommer ihåg den från svetssalen.

Gasen som är vanlig ute i rymden är inte så vanlig på jorden. Det har länge talats om att det kommer att bli heliumbrist – vilket skulle drabba mycket fler industrier än ballongindustrin.

Jubileum!

För 150 år sedan upptäckte den franska astronomen Jules Janssen gasen. Han såg den på långt håll och kom varken att känna den eller ens vara på samma planet som gasen.

Det kom att dröja nästan 30 år innan gasen kunde studeras på närmare håll.

Jules Janssen
Jules Janssen vid ett reflekterande teleskop Jules Janssen Bild: Copyright Rex Features Ltd 2012/All Over Press vetenskap

Det var ingen slump att Janssen upptäckte ett nytt ämne. Han hade rest från Europa till Indien för att studera solen under 1868-års solförmörkelse.

För att undersöka solen hade han tagit med ett nytt optiskt instrument - spektroskopet - som kan dela upp ljuset i dess spektrum.

Spektroskop

Spektroskopet och därmed upptäckten av helium möjliggjordes av två tyska forskare. Knappt 20 år tidigare hade Robert Bunsen och Gustav Kirchhoff visat att Newtons teori om ljus inte höll streck.

Newton hävdade att det vita ljuset var resultatet av att blanda ljus av alla regnbågens färger. Men den tyska duon kunde visa att så inte var fallet.

Kirchhoff uppfann spektroskopet vilket skulle visa sig användbart för att förstå hur ljuset är uppbyggt. Tyskarna kunde visa att alla material avger ett specifikt ljus. Alltså, alla material absorberar vissa delar av ljuset och avger andra – som ett unikt fingeravtryck för alla ämnen.

Med den här vetskapen gick det att undersöka solen och hur den var uppbyggd. Bunsen och Kirchhoff kunde visa att solen utgjordes av samma typ av materia som fanns på jorden.

När Janssen reste till Indien var han inte direkt intresserad av att undersöka själva solen. Solens atmosfär lockade i stället fransmannen.

Det var molnigt och inte alls säkert att han skulle komma att se solförmörkelsen. Tursamt nog sprack molntäcket upp och han kunde till en början se den redan kända vätgasen.

Solförmörkelse 22.08.2017
Solförmörkelse 22.08.2017 bilden tagen i New York Solförmörkelse 22.08.2017 solförmörkelser

Han riktade sitt spektroskop mot solförmörkelsen och utöver väte som uppgör ungefär 70 procent av solens massa, såg Janssen en smal strimma gult ljus.

Det gula ljuset matchade inget tidigare känt ämne – och Janssen visste att han gjort en upptäckt.

I oktober samma år gjorde den engelska astronomen Norman Lockyer samma upptäckt. Det behövdes alltså inte en solförmörkelse för att upptäcka samma sak, en molnig dag i England räckte.

Lockyer gav den nya gasen namn efter det grekiska ordet för sol, Helios. De två astronomerna delar äran för upptäckten då deras respektive artiklar mottogs av den franska vetenskapsakademin på samma dag.

1895 hettade kemisten William Ramsey upp ett uranmineral. Han hade utfört samma experiment tidigare och då upptäckt argon, men den här gången fångade han en ny gas.

Gasen matchade ämnet som Janssen och Lockyer hade sett, samma gula sträck med andra ord. Och Ramsey hade upptäckt helium på jorden.

Ramsey skulle visa sig vara en riktig lirare när det kom till att upptäcka ädelgaser; han upptäckte senare krypton, neon och xenon.

Varför tog det så länge att upptäcka universums näst vanligaste ämne?

Till att börja med måste det konstateras att det hade varit mycket lättare ifall forskarna aktivt hade sökt efter helium.

Det var det första ämnet som upptäcktes i rymden, så människorna på jorden hade verkligen ingen aning om att det existerade― Doktor Harry Cliff

Vidare skulle det ha varit lättare ifall gasen syns, men det gör den inte. Den förekommer inte heller naturligt i jordens atmosfär.

Enklare hade det också varit om vi levde på Jupiter eller Saturnus, där helium är mycket vanligare än på jorden.

Jupiter
Planeten Jupiter har mycket mer Helium än jorden. Jupiter Bild: imago/McPHOTO/ All Over Press Science,Jupiter,Astronomy,Jupiter,Gas

- Det var det första ämnet som upptäcktes i rymden, så människorna på jorden hade verkligen ingen aning om att det existerade. Det var så att säga en serandipisk upptäckt, säger doktor Harry Cliff till BBC.

Helium var det första ämnet som upptäcktes utanför jorden. Att ämnet inte fanns i vår närmiljö gjorde en del forskare skeptiska. De ansåg att det måste vara frågan om ett ämne som redan var känt.

Det teoretiserades om att det var natrium som man sett utanför solen, vilket var ett känt ämne och på så sätt lättare att argumentera för.

Men efter att Lockyer gjorde samma unika upptäckt som Janssen stillades kritikerna och man godtog att det var frågan om ett nytt ämne.

Ända fram till 1925 var det allmänt vedertaget att solen bestod av fast materia. Samma år förändrade den brittisk-amerikanska fysikern Cecilia Payne-Gaposchkin uppfattningen om stjärnornas uppbyggnad.

Bild på solen
Ända fram till 1925 var det allmänt godtaget att solen var en fast himlakropp. Nu vet vi att alla stjärnor utgörs av gas. Bild på solen Bild: Duncan Usher/ARDEA/All Over Press solen

I sin doktorsavhandling lanserade hon sin teori om att stjärnorna, inklusive solen, bestod av gas och inte fast materia. Hon gjorde slut på teorin om att solen var uppbyggd på samma sätt som jorden.

(Som en parentes kan även nämnas att hon kom på tanken att klassificera stjärnor efter deras temperatur.)

Egenskaper och förekomst

Heliums atommassa är fyra. Med andra ord är en heliumatom fyra gånger tyngre än en väteatom. Vidare har gasen atomnummer två och tillhör släkten ädelgaser.

Gasen är inert vilket betyder att den inte reagerar med andra ämnen. Man varken ser eller känner gasen eftersom den är fullständigt transparent och luktlös.

Trots att helium, till universum sett, är en mycket vanlig gas, är den svår att komma åt på jorden.

Speciellt för gasen är att den har den lägsta kokpunkten för alla grundämnen. En annan intressant aspekt är att den inte går att frysa.

Det enda sättet att få helium att ta fast form är att utsätta den för mycket högt tryck.

Helium förekommer på jorden. Den hittas under marken som en följd av radioaktivt sönderfall. Grundämnet ingår i mineraler med radioaktiva ämnen och när ämnen som uran och torium sönderfaller frigörs rent helium.

En bidragande orsak till att gasen är ovanlig på jorden är att den är så lätt. Det här är något man märker ifall man håller i en heliumballong. Det är nästan svårt att hålla kvar den, den vill uppåt.

Heliumballong
Breitling Orbiter 3 en silverfärgad heliumballong. Den första ballongen att ta sig runt jorden. Heliumballong helium

Det här är problemet med tillgången på helium, den hålls inte på jorden ifall man inte innesluter den.

Spricker din heliumballong så kommer gasen att söka sig upp mot atmosfären och slutligen ut i rymden. Ämnet är alltså så lätt att jordens dragningskraft inte kan hålla kvar gasen.

Ute i universum förekommer helium som en biprodukt av fusionen som sker i stjärnorna.

Användning

Helium har många användningsområden men det vi alla känner till är ballongindustrin. Varför ballongen flyger har vi redan gått igenom, men varför man låter roligt när man andas in helium har inte klarlagts.

Som vi vet är gasen inte farlig och den reagerar eller irriterar inte stämbanden. Orsaken är mycket simplare. Man låter som Kalle Anka helt enkelt för att ljudet har en högre hastighet i helium än i luft.

Det ska ändå påpekas att det kan vara farligt att andas in helium. Kroppen behöver syre vilket man såklart inte får från helium. Alltså, ifall du andas in helium för att låta roligt, glöm inta att varva med lite vanlig luft.

Ett annat användningsområde för gasen är just för inandning. Jordens atmosfär består av en blandning av kväve, syre och koldioxid och den här blandningen fungerar bra att andas in i vanliga fall.

Men när man arbetar med teknisk dykning byts koldioxiden vanligen ut mot helium. Resultatet är en gas som heter Trimix.

Gasen går att reglera för olika djupa dyk och avhjälper narkoseffekt. Den är lättare att andas in under tryck och helium blir inte giftigt om det byggs upp i blodomloppet.

dykarklocka
En kinesisk dykarklocka med tre dykare ombord. Dykarklockan tar ner dykarna till ett djup på 300 meter. Den här typen av dykning kallas för mättnadsdykning och man använder gaser som Trimix för att leverera syre till dykarna. dykarklocka Bild: imago/Xinhua/ All Over Press Dykarklocka

Teknisk dykning skiljer sig från sportdykning eftersom man inte börjar dyka vid ytan. Farkosten man använder kallas för dykarklocka.

Om du har hört någon kompis skryta om sitt dykarur har de kanske nämnt att deras klocka har en heliumventil.

En heliumventil finns där för att klockans glas inte ska spricka när man kommer upp till normalt tryck.

Heliumatomen är så liten att den tränger sig in i klockan och ventilen finns där för att jämna ut trycket när man kommer upp till ytan.

Eftersom atomen är så liten, använder man gasen för att hitta läckor. Det är simpelt: ifall man söker ett litet hål, så använder man en liten gas. Det här är vanligt i vakuumkärl och andra slutna system.

Nerkylning är ett vanligt användningsområde. Specifikt används gasen till exempel för att kyla ner magnetröntgenmaskiner, men även för att slå världsrekord.

cern
Helium används för kylning av superledande magneter. En vanlig plats är MRI-maskiner men här är en bild på partikelacceleratorn i Cern där samma process används. cern CERN,helium

Helium används när forskare försöker nå temperaturer nära den absoluta nollpunkten.

Vid Aalto-universitetet har man gått i bräschen för den här typen av experiment. Man har kommit 0,000 000 000 1 grader från den absoluta nollpunkten.

Man slösar inte på heliumet bara för att slå rekord. Vid så här låga temperaturer studerar man atomkärnan. Aalto-universitetet fokuserar på magnetismen i rodiumatomer.

Framtiden för helium

Det står klart att heliumet kan ta slut på jorden. Nu utvinner man helium från naturgas, men halterna är låga och det blir dyrt.

Nina Schröder som representerar AGA säger till Sveriges Radio P3 att gasen håller på att ta slut. Men hon manar till lugn. Schröder menar att nya produktionssätt kommer utvecklas.

Hon tror inte att vi kommer hamna i en situation där vi är helt utan helium.

Källor: Sveriges radio, BBC,
Royal Society of Chemistry, Ne.se, Encyclopaedia Britannica, Wolfram Alpha

Artikeln är uppdaterad med ett datum i ingressen

Läs också

Vetenskap

Nyligen publicerat - Vetenskap