헬륨
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1. 소개
비활성 기체의 첫 번째 원소로, 원자번호 2번, 1주기 18족에 속한다. 상온에선 기체로 존재하며 단원자 분자인 비활성 기체다.[1]
그리스의 티탄족 태양신 헬리오스[2]의 이름을 따왔다. 태양신의 이름을 따온 이유는 1868년 프랑스 천문학자 피에르 장센이 태양 일식에서 그 존재를 발견했기 때문이다. 지구상에서는 1905년 캔자스 대학교 화학과에서 최초로 추출하는 데 성공했다.
2. 우주에선 흔하지만 지구에선 희귀
우주 전체에서 수소 다음으로 흔한 원소이다. '''물질'''을 기준으로 우주 전체 질량의 24%를 차지한다.[3] 수소가 가장 흔한 이유는 처음 물질이 원자 형태를 이룰 때 가장 간단한 조합, 양성자1 + 전자1이기 때문이라 짐작되듯, 헬륨이 두 번째인 이유도 양성자2 + 중성자2 + 전자2로 수소 다음으로 간단한 조합이기 때문이다. 지금도 별 내부의 핵융합 반응에 의해 계속 생성되고 있다.
다만, 다른 원소와 거의 결합하지 않아서 화합물로 존재하지 않는다. 또한 헬륨 자체의 단원자로 존재하기 때문에 매우 가벼워서 지구 중력으로 잡을 수 없어 서서히 우주 공간으로 빠져나간다. 따라서 지구에서는 아주 희소하다. 하지만 지구의 중력도 상당히 세고 자기권도 있기 때문에 사실 헬륨은 지구를 빠져나가더라도 아주 느린 속도로 빠져 나간다. 대기 중으로 노출된 헬륨이 지구 대류권을 빠져나가는 데 걸리는 시간은 평균 210만 년이다. 대류권을 벗어난 헬륨은 이후 서서히 올라가 성층권, 중간권 등을 통과하며 지구 대기권을 벗어나 우주로 빠져나간다.
3. 헬륨 채굴
대기에 있는 헬륨은 토륨, 우라늄의 알파붕괴의 산물이며 땅속에 갈라진 틈이나 모래의 틈에서 서서히 빠져나와 대기를 형성한다. 보통 핵분열로 인해 발생하는 α선에 의해 만들어진다.
대기에서는 농도가 매우 낮아 주로 천연가스에서 추출하는 데 단가는 높은 편. 우라늄이나 토륨 등의 핵분열로 생성된 알파선이 천연가스에 모이고 이것을 이용하는 것이다. 헬륨은 가벼워서 대기권에 노출되면 느린 시간에 걸쳐 빠져나가지만 원자의 부피가 크기 때문에 천연가스 구처럼 땅 속에 갇혀 있는 경우엔 대기에 노출되기 전까지는 계속 땅 속에 갇혀 있게 된다. 유전에 따라서는 상당히 많은 양의 헬륨이 포함된 곳도 있다.
천연가스와 같이 채취할 수 있는 헬륨의 매장량 중 경제성 있는 헬륨의 매장량은 대략 현재 170만 톤이고 비경제적이지만 그래도 충분히 추출할 수 있는 양은 500만 톤에 근접한다. 하지만 연간 3만 톤씩 추출하고 있으므로 대략 60년 후면 고갈 위기. 또한 매년 2~5%씩 헬륨 사용량이 증가하고 있어 실제로는 30년 내로 고갈될 수 있다. 핵융합 발전이 상용화된다 해도 사정은 크게 변하지 않는다. 핵융합 발전소에서 수소 기체를 1만 톤 단위로 소모하지는 않기 때문. 게다가 핵융합 발전에 필요한 초전도체의 유지를 위해 자체적으로 소모되는 분량이 있으므로 핵융합 발전이 이루어진다 해도 이 문제가 손쉽게 해결되기는 어렵다. 핵융합 문서 참조.
과거 천연가스가 생성될 때 우라늄과 토륨이 농축된 광석 주위에서 생성된 천연가스가 헬륨을 포함할 확률이 높다. 그냥 일반적인 지하에서 생성된 천연가스는 헬륨이 극소량으로 차라리 없다고 하는 게 낫다.[4] 즉, 천연가스의 매장량은 많지만 헬륨을 포함한 천연가스의 구를 계산한 매장량은 그보다 적다. 물론 좋은 구가 발견되면 헬륨 매장량은 더 늘어날 수 있다. 아주아주 농축된 천연가스 구에서는 하나의 구에서 헬륨이 10만 톤까지 나온 경우도 있으며 어떤 구에서는 천연가스 대 헬륨 부피가 7~15%까지 농축된 경우도 있다.[5]
4. 특성
이상 기체에 제일 근접한 모습을 보여 주는 현실 기체.
18족의 대표주자로서, 화학적 활성은 거의 없다. 화학결합을 원자가 전자들이 퍼즐의 틈처럼 끼워맞춰지는 것이라 볼 때, 18족은 그 '틈'이 없기 때문이다.[6] 그리고 핵과 최외각전자의 거리도 가장 가까워 핵과 전자간의 인력이 가장 크기에 비활성기체 중에서도 가장 활성이 어렵다. 또한 수소 다음으로 작은 분자량은 이 기체를 화학적으로 불안정한, 그래서 위험한 수소의 대체재로 사용할 수 있게 해준다.
양자역학적인 이야기를 하자면, 헬륨의 동위원소는 물성이 아주 크게 다르다. 헬륨의 동위원소는 (양성자2, 중성자2, 전자2)의 4He가 있고 (양성자2, 중성자'''1''', 전자2)의 3He가 있다.[7] 양성자, 중성자, 전자가 각각 페르미온인데, 4He는 페르미온이 짝수개 있으니 보손[8]이 되고 3He는 홀수개 있으니 페르미온[9]이 된다. 그러므로 100K 이하의 극저온에서의 헬륨의 비열은 매우 다르다. 대학 3~4학년의 양자역학/통계역학의 지식이 필요하니 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 결론적으로 헬륨의 동위원소는 물리적성질이 '''매우''' 다르다. 상평형도를 그릴때 3He와 4He의 평형도를 따로 그릴 정도. 화학적 성질 역시 질량 비의 차이가 커서 뚜렷이 다르긴 하지만[10], 기본적으로 헬륨은 화학적으로 극히 안정적인 단원자 물질이기 때문에 공학적으로는 의미가 없다.
원자 번호가 2밖에 안 됨에도 수소와는 달리 원자 모형이 아직도 만들어지지 않은 물질이다. 이 녀석의 원자 내부 상호작용이 다름아닌 삼체 문제[11]인데, 이 문제의 일반해를 구하려고 뭇 과학자들이 애를 썼으나 결국 앙리 푸앵카레[12]가 없다고 증명을 해 버린 마당이니...
수소와는 달리 액화시켜 냉매에도 활용되는데, 이는 작은 분자량과 동시에 극단적 비활성으로 인해, 매우 약한 분자 간 인력이 온도하강의 한계인 액화점을 낮게 만들기 때문이다. 현재, 인류가 거시적인 스케일[13]로 확보할 수 있는 가장 낮은 온도는 액화헬륨을 이용하는 것. 이런 식으로 액체 헬륨으로 냉각을 시키는 대표적인 예가 LHC이다. 초전도체 활성 온도가 -263℃이기 때문.
액화헬륨은 보스-아인슈타인 응축이라는 특징(쉽게 말해 '초유동')을 띤다. 컵에 담으면 컵 벽면을 따라 위로 흘러나오고, 밀폐된 방 안에 뿌리면 아무런 힘을 주지 않아도 고르게 방 전체를 코팅한다. 보스-아인슈타인 응축은 보손에만 성립하므로 3He에서는 나타나지 않아야 하는데 나타나는 경우가 있다. 이 경우엔 1972년 노벨물리학상을 받은 BCS theory에 의하면 3He 2개가 쿠퍼쌍을 이루어 보손처럼 행동하기 때문으로 알려져있다. 이 발견은 1996년 노벨 물리학상을 받는다. 자세한 내용은 초유동체에 서술되어 있다.
최근 미국 유타대학교의 연구팀이 초고압에서 나트륨과의 화합물을 만드는 데 성공했다.# 단 113기가파스칼이라는 초고압환경에서만 유지된다고 한다. [14]
5. 이용
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맨해튼 상공에서 비행중인 아크론급 공중항공모함 1번함 아크론.[15]
공기보다 가볍기 때문에 비행선이나 풍선 안에 채워넣는 기체로 사용된다. 수소가 더 가볍고 싸긴 하나, 화기와 접촉 시 폭발과 화재의 위험이 있기 때문에 수소보단 무겁지만 안전한 헬륨을 사용하는 것이다. 수소의 부력이 헬륨보다 겨우 8% 정도 더 큰 것[16]도 한 가지 원인. 독일의 유명한 비행선인 힌덴부르크호의 참사도 수소가스를 사용한 것이 큰 원인이었다. 원래 힌덴부르크호는 헬륨가스를 쓰도록 설계했는데 당시 최대의 헬륨공급처인 미국과 독일의 관계가 악화되던 중이라 미국에서 헬륨을 수출하지 않아서 그냥 수소로 채우고 갔다가 참사가 발생했다. 표면의 알루미늄이 테르밋으로 작용한 이유도 있지만, 애초에 헬륨을 썼다면 대화재나 폭발은 없었을 것이다.
하지만 갈수록 희소해져가는 물질이기 때문에 비행선 제작은 물론 헬륨 풍선까지 규제해야 한다는 목소리가 점점 커져가고 있는데, 엎친데 덮친격으로 헬륨은 재료를 투과하는 성질이 있어서 설령 기낭안에 아무리 단단하게 밀봉한다 하더라도 '''언젠가는 빠져나가서 손실되어버린다'''. 헬륨 비행선을 한번 만들었다고 그걸로 끝이 아니라 비행선에서 서서히 빠져나가는 헬륨을 정기적으로 추가 보충해줘야 하므로 유지비도 많이 들 뿐더러 헬륨을 낭비하는 꼴이 된다. 그러므로 헬륨 비행선조차도 갈수록 기피되어 가는것이다. 이 때문에 21세기 들어서 비행선은 수소를 넣되 무인기로 만들어 설령 사고가 일어나도 인명피해가 없도록 하는 방향으로 만들어지고 있다.
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일반적인 인식과는 달리, 실제로 헬륨가스의 사용처 중 풍선에 사용되는 경우는 얼마 되지 않는다. 2019년 기준 세계 헬륨가스 사용량 중 17%만이 부력을 내기 위한 용도로 사용된다. 이 중 절반은 기상관측 풍선과 비행선용이고, 파티용 풍선으로 사용되는 경우는 전체의 8%정도가 전부이다.
심해 같은 고압의 환경에서 작업하는 잠수부들의 질소 대체 가스로 사용되기도 한다. 고압에서 기체의 분압이 높아져도 질소에 비해 혈액에 용해되는 정도가 매우 낮기 때문에 압력을 낮출 때 생길 수 있는 잠수병을 막을 수 있다. 물론 헬륨의 가격은 질소와는 비교할 수 없을 정도로 비싸기 때문에 깊은 수심까지 잠수할 경우에만 사용한다.
최근에는 8TB 이상의 대용량 하드디스크에도 헬륨이 충전된다. 플래터를 추가해서 용량을 늘리다 보면 공기와 플래터의 마찰, 즉 공기저항과 이에 따른 발열 또한 증가하게 되고 이게 심해지면 마찰이 진동으로 전달되어 헤드가 진동하다가 플래터를 긁어버리거나 과열이 일어나서 데이터가 손상되는 일까지 일어날 수 있으나 헬륨은 공기보다 가볍고 밀도도 낮기 때문에 플래터의 갯수를 늘리면서도 저항이 매우 적어지고 발열도 현저히 줄어들며 모터의 출력도 낮출 수 있게 되어 소비전력까지 절감할 수 있다.
또한 액체 헬륨은 초전도 전자석의 초전도 현상을 위한 냉각제로서 많은 곳에 사용되고 있다. 대표적으로 MRI 등이 액체 헬륨을 냉각제로 사용한다.
한때, 기술로는 액화가 안 되던 헬륨이 최후의 영구기체로 여겨졌으나 기술이 발전하면서 헬륨도 액화가 가능하면서 영구기체의 개념이 재정의 되었다.
1기압에서는 '''절대영도(약 -273.15도)까지 내리더라도 고체헬륨을 만들 수 없다.''' 녹는점이 25기압일 때 절대영도에 가까운 -272도라서 그렇다. 즉, 극저온이라도 압력을 높여야만 고체 헬륨이 형성되는 것. 목성의 중심부 등 아주 특이한 환경을 제외하면 고체 헬륨을 실험실 밖에서 볼 수는 없다.
안정적 동위원소로는 헬륨3(3He)와 헬륨4(4He)가 있는데 지구에는 거의 헬륨4뿐이지만 달표면에는 태양풍으로 날아와 쌓인 헬륨3가 비교적 풍부하다고 알려져 있다.[17] 그런데 지구에서는 헬륨3을 만들기가 매우 어려우며 주요 매장지 역시 미국과 러시아가 보유한 핵탄두 저장시설에서 극소량만이 생산된다. 연간생산량은 2.3kg 정도로, 주로 핵탄두 내부의 우라늄이 자연붕괴를 일으킬 때 부산물로 생기는 헬륨3을 포집하는 방식이다. 그나마 현재에는 그 생산량이 점점 줄어드는 실정. 중성자 검출 등 상당한 수요가 있고 헬륨3는 가장 이상적인 핵융합 발전의 연료이므로 유망한 미래의 에너지 자원으로 여겨져서 SF 소설이나 우주개발 제안 등에서 달표면의 핼륨3를 채취하여 지구로 가져오자는 주장도 있다.[18] 현재 미국, 러시아, 중국 등이 경쟁적으로 달탐사 계획을 추진중인데 달기지를 건설하는 계획외에 달표면에 널리고 널린 이리듐과같은 희토류와 헬륨3를 먼저 선점하기위한 이유도 포함된다. 물론 소행성에서도 헬륨3가 무궁무진하긴 하다.
달에 존재하는 헬륨3(3He)는 이미 20세기에 달탐사가 이루어졌지만 21세기 시점에서 다시금 달탐사 계획이 추진되고 있는 여러 이유들 중 하나이기도 하다. 핵융합 연료로서의 가능성 때문인데, 지구 상에서 얻을 수 있는 핵융합 연료인 중수소나 삼중수소에 비해서 좀 더 깨끗하고 방사능 폐기물의 생성 역시 보다 억제된 핵융합 반응을 얻을 수 있기에[19] 중수소나 삼중수소 대신 헬륨3를 핵융합 연료로서 사용한다면 보다 안전하고 쓰기 편한 핵융합로를 만들 수 있게 되기 때문이다. 그렇기 때문에 헬륨3는 상기한 대로 가장 이상적인 핵융합 연료로 손꼽히지만, 아쉽게도 지구 상에서는 얻기 힘든 물질이기도 하므로 우주개발을 통해서 채굴해야할 필요성이 있다. 그래도 다행스러운 것은 지구에서 그렇게까지 멀지 않은 달에 헬륨3가 비교적 풍부하게 존재한다는 것. 추정치로는 100만톤이지만 정밀탐사를 실시한다면 이보다 더 많을 수도 있다. 다만 이 경우 운송비가 너무 비싸서 매장량이 아무리 많아봐야 현대 우주 기술 수준으로는 상업성이 전혀 없다는 문제가 있다.[20][21]
고농도의 헬륨기체는 가끔 스마트폰 같은 전자기기나 정밀기기를 일시적으로 고장을 내기도 한다. 기체 수소와 함께 분자 크기가 매우 작아서 다른 기체들은 통과하지 못하는 전자부품의 플라스틱 등 봉지재에 스며들수 있는데 이때문에 고도의 진공이 유지되어야 하는 MEMS 등 기계-전자부품이나 정밀장비에 스며들어 오동작을 일으킨다. 수리하는 법은 그냥 공기중에 며칠 방치하면 다시 스며나와 저절로 정상화 된다.
일본에서 추진하는 초고속 자기부상열차 리니어 츄오 신칸센이 열차가 선로에 헬륨을 쏟아부으면서 전진하는 시스템을 채택하고 있다. 이 때문에 헬륨 과다 사용 논란이 불거졌는데, 일본 정부에서 내놓은 대책이란 "정말 헬륨이 부족하다면 달을 개발해서 헬륨을 공수해올 것"이라고 한다. 덕분에 헬륨 때문에 달 개발이 한층 빨라질 지도 모른다.
6. 목소리 변조
6.1. 효과
헬륨가스를 마신 뒤 말을 하면 고음의 음성변조를 한 듯한 목소리가 나온다. 헬륨의 밀도는 약 0.18kg/m3으로 약 1.2kg/m3의 공기보다 밀도가 낮은데, 소리의 경우 매질의 밀도가 낮을수록 이동속도가 빨라지며 진동수가 증가하고 높은 음이 되기 때문에[22] 헬륨가스를 흡입하고 말을 하면 발성기관을 통과한 목소리가 약 2.7배정도 빨라져 고음으로 나오게 된다. 이론상으로는 최대 2.7옥타브 높은 목소리가 나올 수 있지만, 실제로는 폐와 입안에 헬륨뿐만 아니라 내뱉지 못한 공기도 함께 존재하기 때문에 이보다는 덜한 효과가 나온다. 이를 도날드 덕 효과라고 한다.[23] 헬륨 이외에도 공기와 밀도가 차이나는 가스를 이용하면 같은 효과가 나타나는데, 대표적으로 크립톤이나 육불화황 가스[24]를 들이마시게 되면 목소리가 낮아진다.
헬륨은 기본적으로 비활성기체로서 인체에 해를 끼치지 않는 만큼 방송매체에서도 재미요소로 헬륨가스를 흡입하고 목소리를 바꾸는 모습이 자주 나온다. 특히 팬들에게 함박미소를 지어내기 쉬운 소재인만큼 아이돌들에게는 거의 통과의례라 할 정도.[25] 아예 세트장에 소품으로 준비한 헬륨풍선을 아이돌들 스스로 뜯어먹는(...) 경우도 많이 카메라에 잡힌다. 최근에는 귀여운 이미지를 내세우는 경우가 많은 여성 인터넷 방송인들에게도 컨텐츠로 많이 이용된다.[26] 어린아이들을 대상으로 한 과학체험부스나 학교 과학수업에서도 자주 보이는 소재 중 하나로, 일반에도 잘 알려져 있어 헬륨풍선을 무더기로 접하는 장소라면 꼭 한명씩 입으로 가져가는 사람을 볼 수 있다. 특히 어릴때 놀이공원에 가서 헬륨풍선을 사게 되면 해보는 경우가 많다. 굳이 바로 풍선을 뜯지 않았더라도 시간이 지나면 바람이 빠져 가라앉게 되는 만큼 풍선을 마무리할때 애용된다.[27]
목소리가 잘 바뀌지 않는 경우 대부분 헬륨을 너무 조금만 마셔서 입안 공기와 바깥 공기의 밀도가 얼마 차이나지 않았거나, 말을 하기 전에 숨을 다 내뱉어버렸기 때문이다. 따라서 제대로 음성변조를 하고 싶다면 코를 막고 숨을 한번 내뱉은 다음, 쭉 헬륨을 빨아들여 그 상태로 말을 하면 된다. 앞서 말했듯이 너무 적게 흡입해도 목소리 변조가 별로 일어나지 않지만, 무턱대고 많이 마시려해도 코로 다 빠져나갈 뿐이라 한번에 들이쉴 수 있는 양 만큼만 들이마셔주면 충분하다.
고무풍선이라면 묶인 입구를 풀거나 자르는 쪽이 좋다. 괜히 다른부분에 구멍냈다가는 터지거나 마시기도 전에 가스가 다 빠져나가기 십상이다. 은박풍선은 좀 더 수월한 편으로, 적당히 구멍을 내도 되지만 이러면 몇번만 마시면 바람이 다 빠져버리기 쉬운데, 가스 주입구에 약간 두꺼운 빨대를 꽃아주면 깔끔하게 필요한 만큼만 헬륨을 마셔볼 수 있다. 이렇게 하면 조금만 흡입하고 그대로 풍선을 들고 다닐수도 있고, 나중에 가스를 다시 채울 수도 있다.
사실 앞서 설명했듯이 이러한 소리 변화는 목소리 말고도 다른 모든 종류의 소리에 적용되고, 헬륨 이외에도 공기와 밀도가 차이나는 기체라면 무엇이든 음성변조 효과를 줄 수 있다. 하지만 이러한 기체들 중 안전하고 값도 적당하며 일상생활에서 많이 볼 수 있는 가스가 바로 헬륨이고, 헬륨이 가득한 공간 내에서 다른 악기를 연주하는 것 보다 풍선 속 기체를 마시고 말하면 목소리가 바뀐다는 것이 훨씬 직관적이고 해보기 쉬운 만큼 헬륨이 음성변조 가스의 대명사로 인식되고 있다.
[28][29]
6.2. 주의할 점
앞서 언급했듯이 헬륨가스 그 자체는 인체에 무해하다. 다만 놀이공원에서 팔거나 행사장에서 준비하는 풍선들의 경우 일반적으로 100% 순도의 헬륨가스를 사용하는데, 이러한 '순수 헬륨'만을 계속해서 흡입할 경우 '''산소부족증'''에 걸릴 위험이 있기 때문에 주의해야 한다.[30] 물론 잠시 동안은 숨을 참아도 괜찮은 것처럼 한두번 흡입하고 다시 산소를 마셔준다면 문제가 없지만, 숨을 쉬지 않고 계속해서 헬륨만을 흡입할 경우 혈중 산소농도가 지속적으로 내려가 어지럼증, 심하면 기절까지 이를 수 있다.[31] 실제로 헬륨 애드벌룬 안에 들어가서 이 놀이를 하던 남매(혹은 연인)가 산소결핍증으로 사망하거나 뇌손상이 벌어지는 사례가 있었다. 일본에서는 아이돌 멤버가 방송에서 헬륨 가스를 마셨다가 의식을 잃고 입원하는 사건이 있었다.[32]
따라서 가능하면 적당히 즐기고 끝내는 편이 제일 좋고, 목소리 변조 효과를 계속해서 내고 싶다면 풍선을 다른 사람과 돌아가며 흡입하거나 헬륨을 한번 마신 다음엔 숨을 잠시 쉬어주는 등의 방법을 이용해 계속해서 산소를 인체에 공급해줘야 한다. 헬륨을 얼마나 많이 흡입했느냐가 아닌 산소가 얼마나 부족하느냐에 따라 문제가 발생하는 것인만큼, 헬륨만을 계속해서 흡입하면 고무풍선 한 개 분량으로도 문제가 생길 수 있지만 산소를 충분히 마시면서 진행할 경우엔 풍선 여러개 어치의 헬륨을 들이켜도 상관 없다.
기본적으로 실내에서 하게 된다면 공기가 잘 통하도록 환기는 필수. 신체가 작은 어린이일수록 산소부족증에 취약하므로, 어린이의 경우는 보호자와 함께 하는 것을 추천한다. 만일 헬륨가스를 흡입하다가 어지럼증이나 두통과 같은 증세가 나타났다면 즉시 중단하고 환기가 잘되는 곳에서 산소를 들이쉬어줘야 한다.
헬륨풍선을 빨아들이고 목이 아프다고 하는 경우도 있는데, 이는 고무풍선의 안쪽에 들러붙지 않도록 발라져있는 활석가루를 같이 흡입했기 때문이다. 호흡기 질환이 있는 사람이라면 주의할 것. 따라서 행사 등지에서 풍선을 여러번 흡입하려 한다면 고무풍선보다는 은박풍선으로 준비하는 것이 좋다. 헬륨가스 탱크의 노즐에 입을 대고 직접 빨아들이는 경우도 있는데, 탱크 안에 고압으로 보관되어 있던 가스가 압력에 약한 폐에 고속으로 주입될 경우 심각한 문제가 발생할 수 있으므로 '''절대로 해서는 안된다.'''[33]
이러한 흡입시의 위험성을 해결하기 위해 공기 중의 산소 비율과 비슷하게 약 20% 가량의 산소를 첨가하여 판매하는 경우도 많다.[34][35] 시중에서 '마시는 헬륨가스'라는 이름으로 캔에 담아 판매되는 제품이 이렇게 산소를 섞은 형태로, 이건 계속해서 들이마셔도 아무런 문제가 없다. 특히 일본에서는 헬륨 목소리 변조 하면 풍선보다는 보통 이쪽을 떠올리는 편. 이 점을 이용해서 이러한 실험 또한 해볼 수 있다.
7. 고갈 위기
헬륨 역시 유전에서 얻는 자원이며, 2012년 무렵 각국의 헬륨 플랜트가 노후화를 이유로 가동을 중지하면서 생산량이 급감, 지구 상의 헬륨은 고갈 위기에 처해 있다. 기사기사
헬륨은 약 150년 전 인류에게 존재가 인지되었으나 연료로 활용할 수 없었기 때문에 쓸모없는 가스라고 여겨져 발견되면 그 아래에 유전이 있다는 암시만 해주는 기체로만 여기고는 전부 공기 중으로 날려버렸다. 그나마 공기보다 가볍다는 사실만 알고는 풍선이나 비행선을 날리거나 목소리 변조 놀이 따위로 낭비되었을 뿐이다. 즉, 헬륨이 정말로 중요한 자원이었다는 사실이 밝혀진 것은 몇십 년도 되지 않았다는 것. 무엇보다도 대체재가 없다. 선진국들이 지난 10여 년 동안 헬륨 사용량을 줄이고 대체재를 개발하기 위해 발악을 하고 있으나 사실상 불가능하다고 결론 내려진 상태다.
9.11 테러 이후 액체 헬륨이 고갈 직전 상태가 돼서[36] 심각한 원소인데, 주 공급처인 '''미국'''은 헬륨을 전략물자로 취급해왔으며 9.11테러 이후로 헬륨 공급이 '''매우''' 줄었다. 테러 이전 액화헬륨 100리터에 200~300만 원에서 400만 원 이상으로 값이 상승했다. 그러나 이마저도 헬륨의 실제 희소성과 가치를 전혀 반영하지 못하는 가격이라는 것이 일반론이다. 노벨상 수상자로 헬륨 전문가인 물리학자 로버트 리처드슨의 주장으로는 헬륨의 가격은 지금 가격의 1만 배가 적정 가격이라고 한다.[37] 물론 액체질소를 넘어 액체헬륨을 다루는 실험실에서는 대부분 헬륨을 재포집하여 냉각하는 시스템을 갖추고 있다. 하지만 조금씩은 손실이 생기는 법이고, 이 정도 손실도 작은 대학, 작은 연구실일수록 엄청난 부담으로 다가온다. 그나마도 4He의 이야기.
3He가 되면 부르는 게 값이다. 중수로에서 삼중수소를 채취하거나 그나마 약간이나 대량으로 채취하는 법은 6Li에 열중성자를 충돌시키면 3H와 4He이 형성되며 여기서 3H가 붕괴되는데 기다리면 된다. 이런 식으로 채취하니 엄청나게 비싼 기체이다.
연구용이나 중성자 검출기 용도로 쓰인다.[38][39]
헬륨은 2015년까지만 해도 30년 후 완전 고갈될 것으로 전망되었지만, 2016년 6월 28일에 탄자니아에서 새로운 대규모 헬륨가스전이 발견되면서 10여년 분량은 더 캘 수 있을 전망이다.# 미래에는 표면에 헬륨이 풍부하다고 밝혀진 달에서 채굴해 온다는 계획이 세워져 있다.# 다만 달에서 캐온다고 해도 매장량만 해결되는 것일 뿐 가격은 엄청나게 비싸질 것이다.
헬륨 풍선에 엄청난 값을 매기자는 주장도 존재한다. 대략 하나에 십만 원(100달러) 정도로. 물론 앞서 설명하였듯이 전체 헬륨의 사용처 중 풍선은 8%정도밖에 차지하지 않는다. 다만 고갈되면 답이 없는 자원인 만큼 그 8%라도 아껴야 하기 때문에 이러한 주장이 나오고 있는 것. 유튜브의 Periodic Videos에서 헬륨 풍선 때문에 세계적으로 연구에 사용할 헬륨이 고갈되고 있다는 동영상도 있다.
[1] 미국 연구팀이 헬륨과 나트륨을 반응시켜 화합물을 만들었으므로 비활성 기체가 아니라는 말이 있는데, 해당 연구는 113GPa(약 '''113만 기압''')이라는 특별한 환경에서 진행되었고 애초에 다른 원소와 반응하기도 하는 제논이나 아르곤 역시 마찬가지로 비활성 기체라고 부른다. 따라서 헬륨이 나트륨과 반응하였으므로 비활성 기체가 아니라는 주장은 말도 안 된다. 어차피 네온을 제외한 모든 비활성 기체는 하나씩 반응하는 물질을 가지고 있다.[2] 아폴로도 해의 신이지만 엄밀히 말하면 아폴로는 '햇빛'의 신이고 헬리오스는 태양 그 자체. 사실 정확히 말해 본디 거신족 티탄이 세상을 지배했을 때에는 티탄족에 속하는 헬리오스가 태양을 다스리고 있었지만 제우스를 필두로 한 신 일파가 티탄을 몰아내자 제우스 일파에 속한 아폴론이 헬리오스를 몰아내고 태양신 자리를 꿰차버린 것.[3] 수소가 75%, 나머지 1%는 리튬, 베릴륨, 붕소 등과 산소, 탄소 등의 중원소들이다. 극소량이지만 별이 생성되고 축퇴되어 생성된 블랙홀, 그리고 양성자, 중성자 등의 양자와 소립자 등이 있다.[4] 일반적인 지하에 생성된 천연가스의 헬륨의 양은 질량상으로 5~13ppb로 대략 1억~2억분의 1의 질량상 농도이므로 없다고 친다.[5] 보통 경제성 있게 헬륨이 농축된 천연가스의 구에서는 헬륨이 부피상 0.1~1.0%인 농축되어 있다.[6] 18족의 원소가 화학결합을 하는 경우는 매우 드물다. 이 현상을 고등학교에선 간단히 옥텟 규칙으로 넘어가지만, 제대로 설명하려면 양자역학까지 필요하다.[7] 이 세상에 존재하는 안정적인 동위원소 중에 (경수소를 제외하면. "proton decay"를 언급하는 사람에게 설명하자면, 사실 아직 발견되지도 않은 것이고, 경수소에만 적용하기 어렵다.)'''유일하게''' 중성자 수가 더 적다. 두 동위원소는 이론적으로도 안정적인 데 반해, 다른 모든 양성자 수가 중성자보다 많은 동위원소는 확실히 불안정하다.[8] 스핀의 합이 정수꼴.[9] 스핀의 합이 반정수(정수+1/2)꼴.[10] 오죽하면 트랄퓸(Tralphium)이라는 독립된 이름도 있을 정도다. 하지만 수소 시리즈와 달리 독립된 원소기호를 얻어내는 데에는 실패했다.[11] 원자핵 1개 + 전자 2개이므로.[12] 푸앵카레 정리를 제시한 그 푸앵카레다.[13] 미시적인 스케일을 이용한다면, 레이저를 이용하여 분자 1000여개 내외의 규모에 극단적인 냉각현상을 이용할 수 있다.[14] 약 110만 기압이다. 물 1100km 깊이에서 이 정도 압력이 나온다. 대략 서울에서 도쿄 까지의 거리다. 당연히 살면서 만날 일은 정말 독특한 업종이 아니라면 없을 것이다.[15] 불행히도 아크론은 1933년 4월 4일 전기 합선으로 인해 뉴저지 주에 추락해 탑승자 대부분이 사망했다.[16] 같은 압력상태에서 기체의 비중은 기체의 평균분자량과 비례하는데, 부력은 아르키메데스 원리에 의하여 '''동일 부피상의 밀도차'''에 영향을 받는다. 같은 기압조건에서 대기의 평균 분자량은 28.8이며, 수소의 평균분자량은 2, 헬륨의 평균원자량은 4이므로 부력차는 수소가 26.6, 헬륨이 24.6으로, 수소의 부력량은 헬륨 기준으로 108.1%밖에 되지 않는다.[17] 매장추정치가 약 100만톤이 조금넘는정도 허나 본격적인 달탐사와 조사가 시작되면 그것보다 훨씬 많을수도 있다.[18] 특수용기에 헬륨3를 기체화해서 판매하는데 현재 기체 1리터(무게로 따지면 2g) 가격이 무려 4.700달러다.[19] 핵융합 반응의 부산물로 나오는 중성자의 발생량을 줄일 수 있기 때문이다. 헬륨3만으로 핵융합을 하는 헬륨3-헬륨3 반응의 경우 이론상 중성자가 안 나오고, 중수소-헬륨3 반응의 경우에도 중수소-삼중수소 반응에 비해 중성자 발생량이 유의미할 정도로 상당히 줄어들어서 방사능 폐기물의 생성을 크게 줄일 수 있다고 한다.[20] 그래서 아예 달에 발전소를 짓고 무선으로 전기를 지구에 보내자는 의견도 있지만 무선 송전 기술도 현재 수준으로는 효율이 너무 떨어져서 답이 없다. 결국 어느 쪽이든 미래의 기술 발전이 해결해주기를 희망하고 있는 실정. [21] 사실 삼중수소를 이용한 핵융합이 기술적으로 더 쉽기 때문에 기술이 발전하더라도 지구에서 헬륨3를 핵융합에 이용하게 될지는 아직 회의적이다.[22] 따라서 음향장치나 악기 역시 헬륨이 가득한 공간 안에서는 소리가 높아진다. 아래 영상과 같이 헬륨가스를 마시고 관악기를 불어보면 바로 느낄 수 있다. [23] 이미 표현이 굳어져 버렸지만 사실 도날드 덕 보다는 오히려 미니언 또는 칩과 데일의 목소리에 가깝다.[24] 온실가스 중 하나로 인체에 무해하고 가격도 크립톤에 비해선 훨씬 싸기 때문에 헬륨과 비교되는 목소리 변조 가스로서 과학실험 시연용으로 간간히 사용된다. 다만 알아서 위로 올라가는 헬륨과는 달리 이쪽은 바닥으로 가라앉는만큼 질식의 위험이 좀 더 크고 많은 양을 사용하게 된다면 환기를 잘 해줘야 한다.[25] #[26] 유혜디 유혜디2 양아지 양아지2 윤이샘 마젠타 [27] 시간이 지나 가라앉은 풍선의 경우에도 양은 줄어들었지만 안에는 헬륨가스가 있는 만큼 음성변조 효과를 볼 수 있다.[28] 본 방송에서는 결국 성공하긴 하였다.[29] 사실 헬륨이 신체에 직접적으로 작용하여 목소리를 변화시키는 것이 아니기 때문에 헬륨이 통하지 않는 체질같은 것은 없다. 목소리가 변하지 않는 경우는 선술했듯이 말을 하기 전에 헬륨이 코나 입으로 빠져나갔거나 안으로 들이마시지 않고 입에만 가스를 머금었기 때문인 경우가 대부분이다.[30] 헬륨가스가 무해함에도 파티용품으로 판매되는 대부분의 헬륨가스 통들에 흡입하지 말라는 문구가 붙어있는 이유이다. 들어있는 헬륨 자체는 다른 풍선에 들어가는 것들과 동일하기에 이쪽이 마시게 될 경우 특별히 위험해서는 아니다.[31] 이 경우엔 기절하면서 헬륨 흡입을 중단하게 되기 때문에 곧 정신을 차리게 되는 경우가 대부분이지만, 쓰러지는 과정에서 주변의 물체에 부딪히면 더 큰 사고로 이어질 수 있다.[32] 스타더스트 프로모션의 아이돌 연습생 3b junior이 출연하는 TV 아사히의 '3b junior의 호시쿠즈 상사'라는 방송에서 연습생인 만큼 나이가 어린 멤버도 있었는데도 방송 제작진이 이를 고려하지 않고 방송에 사용하여 문제가 발생한 것이다. 이에 TV 아사히 임원들이 사죄 기자회견을 하는 등 사태가 커졌으며 다행히 해당 멤버는 라이브에 출연할 수 있을 정도까지 회복되었다고 한다.## 한국에서는 해당 멤버가 장애를 입게되었다는 루머가 돌았으나 사실이 아니다.[33] 파티용품점에서 가정용으로 풍선 10~50개 분량 가스를 담아 판매하는 짜리몽땅한 일회용 헬륨탱크의 경우는 이렇게 직접흡입할 가능성 역시 고려하여 압력이 낮은 편이지만, 그럼에도 하지 않는 것을 추천한다.[34] 이렇게 산소를 20% 섞어도 일반공기의 밀도보다 3분의 1에 불과하기 때문에 애드벌룬을 띄우는데 문제는 없다. 공기의 평균분자량은 28.8이고, 산소-헬륨 혼합기체의 평균분자량은 약 9.6밖에 되지 않는다.[35] 잠수용으로 사용되는 헬리옥스라는 가스가 바로 이러한 헬륨 80: 산소 20 혼합기체이다. [36] 이거 다 떨어지면 발전이고 연구고 뭐고 다 중단해야 한다. 헬륨을 액화시키는 것은 쉬운 일이 아니다.[37] 매장 헬륨이 고갈되면 이후 대기에서 헬륨을 추출해야 하는데, 대기로부터 헬륨을 추출할 경우 생산비용이 현재 생산비용의 일만 배이므로 값을 그리 매겨야 한다는 의견을 표명했다.[38] 3He이 중성자를 먹으면 양성자를 방출하는데 이러한 식으로 중성자 검출기를 쓰일 수 있다. 연구용 원자로나 원자력 발전소에 설치되어 있으며 지진과 각종 재해로 인해 혹시나 모를 균열로 인한 방사성 물질의 누출과 사고를 미리 알 수 있도록 하는데 이용된다. 그 외에도 실험실에서 각종 동위체 실험 시에 보조 용도로도 쓰인다.[39] 3He은 소량 생성되므로 전 세계 방대한 원자력 관련 산업의 수요를 충족하지 못한다. 따라서 중성자 검출기에 이용되는 동위체는 3He외에도 6Li, 9Be, 10B 등도 있다.