[케뉴-원소 이야기] 헬륨(HE)의 다양한 용도와 희귀성

'헬륨'이라 하면 풍선 속에 들어 있는 가스를 마시고 웃긴 목소리를 내는 장난이 제일 먼저 생각나기도 한다.

헬륨(Helium)은 주기율표의 가장 오른쪽 위에 붙어있고, 원자 번호 2를 가진 기호 HE인 원소다.

의료용 자기공명영상(MRI) 장치에서도 액체 헬륨을 사용하는데 최근 몇 년 사이에 액체헬륨 공급파동의 징조가 나타나고 가격이 폭등하는 사태가 벌어지기도 했다. 우주에서 수소 다음으로 풍부한 원소인 헬륨은 지구상에는 희귀한 원소인데 매우 가벼운 원소로 지구 중력을 벗어나 우주로 유출되기 때문이다. 가볍고 유용한 특성으로 인해 비행선 충전 기체나 풍선 등으로 일상에서도 널리 사용되고 있다. 

헬륨은 그리스어로 태양을 뜻하는 'helios'에서 파생된 이름이며, 1868년 프랑스 천문학자 피에르 줄세르 얀센에 의해 태양 색층의 일식 동안 분광법에 의해 발견됐다. 영국 천문학자 조셉 노먼 로커가 독립적으로 발견해 헬륨으로 명명했다. 

대한화학회에 따르면 헬륨 기체를 흡입하면 목소리가 얇고 가늘게 변하는 '도널드덕 현상'이 일어나는데, 낮은 원자량의 헬륨이 말을 할 때 음속을 빠르게 하여 말을 할 때 목소리가 변조된다. 그러나 과도한 헬륨 흡입은 산소 부족을 일으켜 매우 위험하다. 

액체 헬륨은 매우 낮은 온도가 필요한데, 미 국립생명공학정보센터에 따르면 헬륨은 모든 원소 중에 녹는점이 가장 낮고, 끓는점이 절대 영도에 가깝기 때문에 극저온 연구에 널리 사용되며, 초전도도 연구에 필수적이다. 또 초전도 자석을 만드는 데도 사용된다. 

온도를 낮추어도 응고될 수 없는 유일한 액체이며, 일반 압력에서 절대 0까지 액체 상태로 유지되지만, 압력을 높이면 쉽게 응고된다. 

헬륨가스는 아크(Arc) 용접, 액체 연료 로켓의 연료 탱크, 초음속 풍동에 압력을 가하기 위한 불활성 쉴드 가스로 사용된다. 또 산소와 결합하여 심해 다이버에게 질소가 없는 대기를 생성해 질소 마취로 알려진 상태가 되지 않도록 해준다. 

최근 헬륨의 가장 큰 용도 중 하나는 액체 연료 로켓에 압력을 주는 것인데 아폴로 달 임무에 사용되는 유형과 같은 Saturm 부스터는 발사를 위해 약 1300만 피트의 헬륨이 필요했다고 한다.

화학물질의 분석에 사용되는 핵자기공명장치(NMR)나 질환 진단에 사용되는 자기공명영상(MRI), 입자가속기 등에 널리 사용된다. 의료 전문가의 MRI 장치에서 액체 헬륨의 사용이 계속해서 증가하고 있는데 이 장비는 환자를 정확하게 진단해 탐색적 수술이 필요하지 않게 되었다. 또한 레이저의 광원으로도 사용되며, 프린터나 광디스크, 바코드 리더 등에 일상적인 활용도 높다. 

헬륨은 다양한 회사의 광고에도 사용되며, 저공비행 순항미사일을 탐지하기 위해 해군과 공군이 개발 중인 다른 리프팅 가스 애플리케이션도 있다. 마약 단속국이 마약 밀수업자들을 탐지하기 위해 레이더가 장착된 비행선을 이용하고 있다고 한다. 

NASA는 현재 헬륨으로 가득 찬 풍선을 이용해 남극의 대기를 표본으로 추출해 무엇이 오존층을 고갈시키고 있는지 그 원인을 파악하고 있다.

헬륨은 지구 대기의 약 0.0005%를 차지하며, 이 미량의 헬륨은 지구에 중력적으로 결합하여 있지 않으며 지속해서 우주로 손실되고, 지구의 대기 헬륨은 지각의 방사성 원소의 붕괴로 대체된다. 모든 천연가스에는 최소한의 미량의 헬륨이 포함되어 있으며 대부분의 헬륨은 천연가스와 함께 땅속에서 채취하고 있는데, 약 30년 후에는 모두 고갈될 것으로 우려되고 있다. 

2018년 말 가스저널에 따르면 우리나라가 미국과 카타르, 알제리 등에서 전량 수입해서 사용하던 헬륨이 2년에서 5년가량의 수급 불안정과 공급가격 폭등 사태가 벌어지고 있다고 전한 바 있다. 이러한 헬륨의 공급 부족 현상은 전 세계적으로 플랜트 설비보수와 외교 문제 등이 반복되어왔다고 한다. 

2021년 러시아 아무르주 스보보드니 지역에서 대규모 헬륨 플랜트를 건설하고 있다.

전 세계 헬륨 시장의 약 75%가 카타르의 Ras Laffan과 미국 와이오밍의 Exxon Mobil과 BLM이 연결한 파이프라인을 통한 헬륨 정제 시설에서 생산되고 있다고 한다. 미국 이외의 지역에서 1984년에 유일하게 알려진 헬륨 추출 공장은 동유럽 폴란드, 소련, 인도 등에 있다.

헬륨은 불활성 기체로 다른 원소와 쉽게 결합하지 않으며, 헬륨을 포함하는 알려진 화합물은 없지만 미국 에너지부에 따르면 헬륨 디플로리드를 생산하려는 시도가 이루어지고 있다.

포인트경제 김수철 기자