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공기를 가득 채운 풍선은 아이들의 마음을 설레게 합니다. 하늘로 올라가려는 풍선 속에는 헬륨(He) 가스가 들어가 있는데요. 간혹 목소리를 재미있게 바꾸기 위해 헬륨 가스를 마시기도 합니다. 하지만 헬륨은 풍선을 띄우고 목소리를 변조하는 일 외에도 의학에서 천체 물리학까지 현대과학에서 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 올해로 발견된지 150년을 맞은 헬륨의 과학적 가치에 대해 살펴보겠습니다.
우리가 몰랐던 헬륨의 과학 5가지 – GIB 제공
1. 누가 처음 발견했을까?
헬륨의 첫 발견은 1868년 8월 인도의 건투르에서 관측된 개기일식 중 일어났습니다. 프랑스 천체 물리학자 피에르 장센은 분광기를 통해 587.5나노미터의 파장을 가진 밝은 노란색 선을 발견함으로써 헬륨 발견의 첫 발을 내딛었습니다.
같은 해 10월 영국의 천문학자 조셉 로키어도 비슷한 관측을 합니다. 그는 어떤 원소에도 해당되지 않는 이 독특한 선을 설명하기 위해 새로운 존재를 대담하게 제안했습니다. 태양을 뜻하는 그리스어 ‘helios‘에서 가져와 새 원소의 이름을 헬륨이라고 불렀습니다. 이후 30년의 시간이 더 지난 뒤에야 충분한 가스를 수집해 분석함으로써 헬륨 원소의 존재가 입증됐습니다.
프랑스의 천체 물리학자인 피에르 장센은 우주를 이해하기 위해 전 세계를 여행했으며, 분광기에서 헬륨의 파장 패턴을 처음 발견했습니다. – 위키미디어 제공
2. 우주에서 유일한 헬륨의 특징
원소기호 2번에 위치한 헬륨은 수소 다음으로 가볍고, 또 수소에 이어 우주에서 두 번째로 많은 양을 차지하고 있는 원소입니다. 전체 우주의 화학 성분에서 수소가 75%를 차지하며, 헬륨은 24%를 구성하고 있습니다. 다른 모든 원소는 우주의 화학 성분의 나머지 1~2%에 불과합니다.
헬륨은 비활성 기체이기 때문에 다른 원소들과 반응해 폭발할 위험이 없이 안전합니다. 무엇보다 끓는점이 가장 낮고, 4.2K(-269℃)에서도 얼지 않고 액체로 존재하는 유일한 원소입니다.
3. 알고 보면 놀라운 헬륨의 쓰임새
가장 많이 알려진 헬륨의 쓰임새는 하늘로 띄우는 일입니다. 공기보다 가벼우면서도 안전하기 때문에 풍선이나 비행선을 비롯해 기상 연구, 천체 관측, 군사 정찰 등 다양한 목적으로 기구를 띄우는 데 사용되고 있죠. 이 외에도 헬륨의 쓰임새는 매우 많습니다.
MRI 촬영
헬륨이 가장 빛을 발하는 분야는 자기공명영상장치(MRI)와 같이 자기장을 이용해 인체를 촬영하는 의료 영상 기술입니다. MRI와 같은 초전도체나 화학 실험실 장비들은 액체 헬륨이 없으면 작동하지 않습니다.
MRI 촬영
MRI와 함께 자기공명분석장치(NMR), 고에너지 입자 가속기, 중이온 가속기 등은 분석 신호의 감도를 높이거나 영상의 해상도를 높이기 위해 초전도체를 사용합니다. 초전도체는 임계 온도 이하의 극저온으로 냉각할 경우 거대한 자기장을 발생시켜 고해상도 의료 영상을 보여줍니다. 이때 냉각제로 헬륨이 필수입니다.
우주 탐사
우주 탐사를 위해서도 헬륨은 꼭 필요합니다. 우주선에 동력을 공급하는 액체 산소와 수소를 냉각시키는 데 사용되고 있습니다. 헬륨이 수소보다 끓는점이 낮기 때문에, 액체 수소 연료 탱크의 압력을 조절하는 역할을 하는 것이죠. 또 위성 장비를 냉각시키고 로켓 엔진을 청소하기 위해 사용됩니다.
바코드 스캔
마트에서 물건을 사기 위해 바코드를 찍어 가격을 확인하는데요. 여기에도 헬륨이 쓰입니다. 헬륨-네온 가스 레이저는 레이저의 다양한 종류 중 하나인 기체 레이저로서 전형적인 붉은색 빔을 만들어내 바코드를 인식합니다.
바코드 스캔 – GIB 제공
심해 잠수
잠수할 때 필요한 산소통은 순수한 산소로만 채워지지 않습니다. 질소가 산소와 함께 들어갑니다. 하지만 심해 잠수 시에는 질소가 혈액 내 침투할 위험이 있으므로 헬륨을 사용하는 게 안전합니다. 산소통에 헬륨 대 산소를 8 대 2의 비율로 채워서 사용합니다.
이밖에도 헬륨은 LCD와 광섬유 및 반도체 생산에 이용되며, 분자가 매우 작아서 배관을 통과하는 비파괴 검사에도 이용할 수 있습니다.
4. 우주에서는 흔하지만 지구에서는 희귀하다
지구상에 존재하는 헬륨의 매장량은 유한합니다. 지구 대기에 들어 있는 헬륨의 양은 0.0005%에 불과해 대기 중에서 헬륨을 얻기는 사실상 불가능합니다. 헬륨의 핵은 매우 가볍기 때문에 헬륨이 대기 중에 있다고 해도 지구 중력의 힘을 못 받고 우주로 빠져나갑니다.
우리가 사용하는 대부분의 헬륨은 천연가스전에서 얻어집니다. 대표적인 생산지는 미국, 캐나다, 러시아, 알제리, 중동 지역 등입니다. 우리나라는 헬륨을 생산하는 곳이 전혀 없어 전량 수입해야 합니다.
헬륨의 사용 분야가 다양해지며 매년 전 세계적으로 소비되는 헬륨의 양은 약 2억3000만㎥에 달합니다. 이렇게 쓰다가는 지구상에서 남은 헬륨이 20년 내에 고갈될지 모른다는 예측과 우려가 나오기도 했습니다.
하지만 2년 전 아프리카 탄자니아에서 약 15억㎥의 헬륨을 보유한 가스전이 새롭게 발견되며 이러한 우려를 조금 덜어냈습니다. 탄자니아에서 새로운 가스전을 발견한 영국 옥스퍼드 대학의 지구과학 연구진은 “화산 폭발로 인해 암석에서 나온 헬륨이 모여 가스전이 형성됐다”며, “탐사활동을 통한 헬륨 획득의 새로운 가능성을 열 것”이라고 밝혔습니다.
미국 텍사스 주에 위치한 헬륨 가스전 – 위키미디어 제공 �
5. 값비싼 헬륨-3가 쌓여있는 보물창고 달의 재발견
기존의 헬륨은 양성자 2개와 중성자 2개가 결합된 헬륨-4입니다. 여기에서 1개의 중성자가 빠진 헬륨-3(³He)는 엄청난 에너지를 생산하는 핵융합 발전과 우주선 연료 자원으로 손꼽히는 이상적인 원소입니다.
헬륨-3는 지구상에 자연적으로 존재하지 않기 때문에 원자로에서 만들어집니다. 해마다 약 6000리터의 헬륨-3가 미국에서 생산되고 있습니다. 그 가격은 리터당 2000달러(한화 약 222만원)에 달합니다. 과학자들은 값비싼 헬륨-3를 채굴하기 위해 태양풍을 통해 헬륨이 수십억 년 넘게 축적된 달 탐사를 고려하고 있습니다.
헬륨-3와 같은 자원을 채굴하기 위해 달 표면을 탐사하는 과정을 그린 영화 ‘더 문(The Moom)’ – 더 문 제공
* 출처 및 참고
https://www.nationalgeographic.com/magazine/2017/05/explore–dream–mapping/
https://www.bbc.com/news/science–environment-36651048
https://www.nature.com/articles/179213a0
https://www.insidescience.org/news/helium-150-years–after–its–discovery