150 anos de hélio

A viagem que o astrónomo francês Pierre Janssen empreendeu da Europa à província de Madras, no leste da Índia, durante a Primavera de 1868, não foi um esforço nocturno. Janssen viajava a meio mundo na esperança de se tornar a primeira pessoa a observar o eclipse solar que se aproximava, usando um novo e quente instrumento científico chamado espectroscópio. Usando este novo instrumento, ele esperava fazer novas descobertas sobre a composição do Sol – supondo que a cobertura de nuvens pesadas não estragasse a sua visão.

Durante a sua viagem, e a preocupante corrida de tempo chuvoso que precedeu o dia do eclipse, Janssen teria tido muito tempo para ponderar sobre os gigantes científicos sobre cujos ombros ele esperava estar de pé. A ancorar esta pirâmide humana foi o próprio Isaac Newton.

A descoberta que pôs em marcha a missão de Janssen foi a famosa observação de Newton de 1666 de que um feixe de luz solar, passado através de um prisma de vidro, se espalha num arco-íris de cor. A luz branca, Newton mostrou, era uma mistura de todas as outras cores combinadas. No entanto, à medida que as técnicas de dispersão da luz solar foram melhorando gradualmente, o espectro solar acabou por não ser o conjunto perfeito de cores que tinha aparecido pela primeira vez. Em 1814, o fabricante alemão de lentes Josef von Fraunhofer dirigiu a luz solar através de uma fenda estreita antes de a passar através de um prisma de vidro – e mostrou que o arco-íris de Newton estava cheio de buracos.

Foi um primeiro vislumbre de um novo elemento

A fina fenda de Fraunhofer dispersou a luz solar de forma mais eficaz do que um prisma por si só poderia conseguir, revelando assim nada menos do que 574 linhas escuras e afiadas no espectro solar. Mas só em 1859 é que os colegas alemães Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff descobriram para onde tinham ido os comprimentos de onda em falta (ver Chemistry World, Setembro de 2013, p35). Kirchhoff inventou um instrumento baseado no prisma – o espectroscópio – que a dupla usava para mostrar que algumas das linhas escuras à luz solar correspondiam exactamente ao padrão característico das linhas na luz emitida quando os sais de metais recentemente descobertos, tais como sódio e potássio, eram queimados numa chama.

Os cientistas mostraram que cada elemento absorvia e emitia o seu próprio padrão de comprimentos de onda, tão único como uma impressão digital – um efeito que sabemos agora ser causado por electrões que absorvem ou libertam luz para saltar excitadamente entre estados energéticos. Bunsen e Kirchhoff tinham provado que o Sol era composto pelos mesmos elementos químicos encontrados na Terra. Usando o espectroscópio de Kirchhof, continuaram a descobrir dois elementos desconhecidos, o rubídio e o césio, queimando resíduos de amostras de água mineral.

A corrida estava prestes a encontrar mais elementos novos usando o espectroscópio – o que levou, em 1868, à missão de Janssen de apontar um para o Sol. Ao realizar a sua experiência durante um eclipse, Janssen esperava ver os elementos presentes à volta da franja do Sol, na sua atmosfera.

No dia do eclipse, as nuvens finalmente dispersaram-se. Quando o eclipse começou e a escuridão desceu sobre Madras em 18 de Agosto, Janssen viu as conhecidas linhas de emissão de hidrogénio quente – e uma linha amarela brilhante nunca antes vista. Foi um primeiro vislumbre de um novo elemento, concluiu Janssen.

Como depressa se revelou, não era necessário um eclipse solar para ver esta impressionante linha amarela. Um dia nublado de Outono na cidade universitária britânica de Cambridge também serviria. No dia 20 de Outubro desse ano, desconhecendo as observações de Janssen, o astrónomo inglês Norman Lockyer viu também a linha amarela – e decidiu nomear este elemento químico desconhecido como hélio, depois da palavra grega para o sol, helios.

Os dois homens chegaram à Academia Francesa de Ciências, em Paris, no mesmo dia, e assim partilharam o crédito pela descoberta de um novo elemento.

Que foi quando começaram várias décadas de problemas para a dupla.

Extendendo a tabela periódica

Nem todos estavam convencidos de que Janssen e Lockyer tinham descoberto um novo elemento químico nas franjas do Sol. Alguns cientistas saudaram a ideia do elemento celestial com um completo ridículo, que só cresceu com o passar dos anos e nenhum vestígio de hélio foi encontrado na Terra. Mesmo o próprio assistente de Lockyer pensava que a linha amarela era uma emissão de hidrogénio provavelmente não detectada anteriormente.1

p>Prominente entre os não-crentes era um oponente bastante formidável, Dmitrii Mendeleev. O químico russo não era um estranho à hostilidade e ao escárnio, tendo estado no extremo receptor durante mais de meia década após a sua publicação de 1869 da sua tabela periódica. Mas para Mendeleev, a espectacular justificação da sua descoberta veio em 1875, quando – usando um espectroscópio – Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gálio, um elemento cujo peso atómico encaixava perfeitamente numa fenda da mesa. As descobertas do escândio e do germânio logo a seguir taparam mais buracos. Mas nenhuma delas ajudou ao caso do hélio, porque a tabela periódica da época não tinha nenhuma lacuna para o hélio preencher.

Era uma omissão que voltaria para assombrar Mendeleev. Em 1894, o químico inglês William Ramsay descobriu um gás não reactivo, ao qual deu o nome de argon, libertado pelo aquecimento de uma amostra de um mineral. Sem saber o que fazer deste novo elemento que a sua tabela periódica não tinha previsto, Mendeleev argumentou que Ramsay não tinha descoberto de todo um novo elemento, mas uma molécula de três átomos de azoto semelhante ao ozono (O3).

Mas em 1895, repetindo a experiência de aquecimento com um mineral de urânio, Ramsay isolou outro gás inerte. Este produziu uma linha espectral que correspondia exactamente aos Janssen e Lockyer que tinham observado no Sol. Ramsay tinha encontrado hélio na Terra. Ramsay depressa descobriu krypton, néon e xenon – todos notavelmente não reactivos. O novo conjunto completo de elementos convenceu Mendeleev de que a tabela periódica precisava de se expandir.

Os gases nobres, encabeçados por hélio, sentam-se agora no extremo direito da mesa, uma posição que reflecte o seu invólucro exterior de elétrons bem preenchido. Este arranjo muito estável dos electrões é a razão da notável baixa reactividade química destes elementos, sendo o hélio o elemento mais não reactivo de todos.

A descoberta por Ramsay de toda uma nova família de elementos que precisavam de ser aparafusados ao lado direito da tabela periódica valeu-lhe o Prémio Nobel da Química de 1904. Essa mesma descoberta, alguns argumentaram, simultaneamente, frustrou as próprias hipóteses de Mendeleev ganhar o prémio.1 Apesar da sua notável contribuição para a ciência, o químico russo nunca recebeu o Nobel.

Up up and away

Não foi por acaso que Ramsay isolou hélio de um mineral rico em urânio. É o decaimento lento dos núcleos radioactivos de urânio e tório que é a principal fonte de hélio no planeta actualmente. Vários isótopos de urânio e tório decaem emitindo partículas alfa – um pequeno aglomerado de partículas subatómicas constituído por dois prótons e dois neutrões. Esta combinação de partículas subatómicas é o próprio conjunto que compõe o núcleo do hélio.

Atravessar o universo, o hélio é o segundo elemento mais comum depois do hidrogénio. A maior parte deste hélio tem origem num breve período de alguns minutos após o Big Bang, quando as temperaturas arrefeceram o suficiente para que pequenos aglomerados de partículas subatómicas formassem os primeiros núcleos atómicos. Cerca de 380.000 anos depois, o universo finalmente arrefeceu o suficiente para que estes núcleos captassem electrões, formando os primeiros átomos – principalmente hidrogénio e hélio, que ainda hoje dominam o universo.

Na Terra, no entanto, é uma história diferente. O hélio é tão leve que não é mantido em baixo pela gravidade da Terra. Sendo inerte, também não é retido pela química. O hélio presente quando a Terra se estava a formar afastou-se para o espaço. Júpiter e Saturno, planetas maiores com uma gravidade mais forte, agarraram-se ao seu hélio e é um componente importante da composição dos gigantes gasosos. Como Lockyer e Janssen observaram, é também um componente importante da atmosfera do Sol.

Quando Ramsay descobriu os gases nobres, alguns membros da família muito rapidamente encontraram utilizações. Uma das primeiras experiências que o químico realizou em neon recentemente isolado nos seus laboratórios do University College London foi para o excitar com um eléctrodo. O gás emitia um brilho vermelho espantoso que em breve iluminava as ruas de Paris e Los Angeles sob a forma de sinais publicitários.

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Helium demorou um pouco mais a encontrar uma utilização. O processo foi eventualmente acelerado pelo surto da primeira guerra mundial.2 Os balões de zepelim militares alemães centraram a atenção militar do Reino Unido e dos EUA em gases mais leves do que o ar. O hélio não conseguia igualar o poder de elevação do hidrogénio, mas tinha a vantagem distinta de ser quimicamente inerte e de não arder se fosse atingido pelo fogo inimigo. Cerca de uma década antes do início da guerra, tinha sido descoberto que o hélio estava naturalmente presente em alguns depósitos de gás natural, nomeadamente no Texas. Quando os EUA entraram na guerra, o Departamento de Minas emitiu contratos para a construção de três fábricas de extracção de hélio.

Com os aviões para voos militares e comerciais em breve substituídos por aviões, a utilização do hélio como gás mais leve do que o ar não descolou como esperado – embora hoje em dia seja utilizado para encher balões para investigação científica a grande altitude, bem como para balões de festas. Durante décadas, os EUA produziram muito mais hélio que utilizaram, que encurralaram no subsolo em campos de gás esgotados.

Em 1996, para recuperar a dívida considerável que acumulara ao comprar e armazenar todo este hélio, o governo dos EUA anunciou uma grande venda do gás armazenado – para grande preocupação dos cientistas. Por esta altura, a procura de hélio estava a disparar. A sua natureza inerte tinha-o visto adoptado para criar uma atmosfera protectora ao fabricar fibras ópticas e semicondutores, e para a soldadura por arco, por exemplo. Muito mais significativamente, o hélio tinha-se tornado indispensável para as modernas máquinas de imagiologia médica, e bem como para nos ajudar a sondar os mistérios profundos do cosmos. Porque o hélio tem o ponto de ebulição mais baixo de qualquer elemento, um ultra-frio -269°C, é um refrigerante essencial para as temperaturas muito baixas necessárias para os electroímanes supercondutores utilizados nas máquinas de ressonância magnética hospitalar. Pela mesma razão, arrefece os ímanes do Grande Colisor de Hadron, bem como algumas máquinas NMR.

Após a fuga do hélio para o ar, este gás leve desaparece para sempre. Até 2015, a Associação Médica Britânica estava preocupada com a necessidade de regular o fornecimento de hélio em breve para garantir o fornecimento do gás a médio e longo prazo. Mas nesse ano, uma equipa das universidades britânicas de Oxford e Durham, trabalhando com a empresa de exploração de hélio Helium One, utilizou um novo método de pesquisa sistemática para descobrir um recurso natural de hélio pela primeira vez.

O enorme achado de hélio encontra-se no Vale do Rift na Tanzânia, onde o hélio se infiltra pela primeira vez na década de 1950. A equipa utilizou técnicas de exploração petrolífera, avaliando factores como o tipo de rocha – mas mostrou que a chave para adaptar as técnicas de exploração de hélio era ter em conta a presença de vulcões activos nas proximidades. A actividade vulcânica provavelmente fornece o calor necessário para libertar o hélio acumulado nas rochas crustrais antigas”, disse Diveena Danabalan, um membro da equipa de Durham. Mas há uma dimensão de goldenilocks na localização do vulcão, acrescenta ela. Se as armadilhas de gás estiverem demasiado próximas de um determinado vulcão, correm o risco de o hélio ser fortemente diluído por gases vulcânicos como o dióxido de carbono’.

A parte do gás aprisionado que a equipa recolheu é entre 8% e 10% de hélio, uma proporção muito mais elevada do que os locais de hélio actualmente explorados.3 De acordo com Helium One, as estimativas actuais colocam a quantidade de hélio presente nos locais do Vale do Rift até agora analisados em quase 100 mil milhões de pés cúbicos (2,8 mil milhões de metros cúbicos), não muito longe da actual reserva americana de 153 mil milhões de pés cúbicos.

A crise de hélio que se aproxima parece ter sido evitada, por agora.

Só sob pressão

Quando se trata de química, o hélio não deixa muito a relatar. O hélio é o elemento mais pouco reactivo na tabela periódica, possuindo um potencial de ionização recorde – elevado, e a sua afinidade com os electrões é essencialmente zero. Enquanto outros membros dos gases nobres foram coagidos a submeter-se a alguma química, particularmente com elementos muito electronegativos como o flúor, o hélio tem resistido – até recentemente.

Em 2017, uma equipa internacional mostrou que o hélio formará um composto de estado sólido estável quando misturado com sódio.4 Só é preciso espremê-lo com força suficiente. A pressões muito elevadas, algo de estranho acontece”, diz Richard Dronskowski da Universidade de Aachen, na Alemanha, que fazia parte da equipa. O átomo de hélio liga-se – sem realmente se ligar.’

A pressões de mais de 113 gigapascals – mais de um milhão de atmosferas – os átomos de sódio na estrutura estão a ser espremidos com tanta força que cuspem o seu electrão valente. O cátion de sódio é muito menor do que o átomo de sódio – mas então a questão é, onde colocamos o electrão? diz Dronskowski. É aí que entram os átomos de hélio. ‘O hélio é o espaçador – não aceita electrões, mas mantém o cátion de sódio e o electrão carregado negativamente afastados um do outro’. Pares de electrões assentam em buracos na estrutura que os átomos de hélio ajudam a criar.

Este estranho composto de hélio, que tem a fórmula Na2He, é o primeiro exemplo de um material de estado sólido em que um átomo actua como um espaçador para ajudar um átomo desproporcionado a entrar num catião e num electrão, diz Dronskowski. Mas de outras formas, o material é bastante familiar, acrescenta ele. Em poucas palavras, é um sal tal como o sal de mesa. Adopta uma estrutura cristalina muito conhecida na química do estado sólido.’

E o hélio – supostamente totalmente inerte – continua a surpreender e a conduzir a novos tipos de química. Foram as previsões de computador – muito mais fáceis de executar do que experiências dispendiosas e demoradas de alta pressão – que primeiro sugeriram que Na2He poderia existir. Novos cálculos mostram que o hélio pode realmente formar toda uma gama de compostos, alguns dos quais podem ser estáveis a pressões tão baixas como 30 gigapascals.5

Além do nosso sistema solar

P>Peering out into the cosmos, estudando a química distante, procurando a impressão do conto de histórias de linhas espectrais na luz que chega à Terra, é um tópico de pesquisa tão quente hoje como era no tempo de Janssen e Lockyer.

Exactamente 150 anos após os dois astrónomos terem avistado a linha de emissão amarela brilhante que foi o primeiro vislumbre da humanidade do hélio, uma equipa de investigadores liderada pelo Reino Unido identificou pela primeira vez o hélio na atmosfera de um exoplaneta.6 O processo que utilizámos, e que Lockyer utilizou, é na verdade bastante semelhante”, diz Jessica Spake da Universidade de Exeter, que liderou a investigação. ‘A linha amarela que Lockyer encontrou, e a que encontramos no infravermelho próximo, ambas provêm do hélio excitado.’

p> Embora se esperasse amplamente a presença de hélio na atmosfera de planetas em órbita de sóis distantes – como está dentro das atmosferas planetárias do nosso próprio sistema solar – dois obstáculos tinham-nos impedido de o detectar, explica Spake. Em primeiro lugar, tem havido poucos detectores que operam no espectro quase infravermelho. E segundo, as moléculas de água na atmosfera terrestre têm linhas de emissão que obscurecem o sinal de hélio. Tem sido uma região de comprimento de onda ligeiramente embaraçosa para se trabalhar”, diz Spake. Como resultado, a caça ao hélio caiu fora de moda.

O estudo de Spake coloca o elemento de novo em voga. Usando o detector de infravermelhos próximos no Telescópio Espacial Hubble, Spake avistou o sinal de hélio enquanto o exoplanet WASP-107b passava em frente da sua estrela e alguma da luz da estrela passava pela atmosfera superior rica em hélio do planeta. Aquela luz estelar levou a banda de emissão da assinatura do hélio até à Terra.

‘O excitante é que muitos espectrógrafos de alta resolução que cobrem este comprimento de onda estão a chegar online no próximo ano, por isso agora é a altura perfeita para procurar hélio’, diz Spake. Pensamos que há muita ciência que podemos fazer com este novo método de estudar atmosferas exoplanetas’, acrescenta ela.

Uma das descobertas mais estranhas da ciência exoplanet até agora é que o tipo de planeta mais comum na galáxia são os super-Terras e os mini-Neptunes – um tipo de planeta que não tínhamos ideia de que existia, uma vez que não são encontrados no nosso próprio sistema solar. No nosso sistema solar temos pequenos planetas rochosos e gigantes de gelo maiores – estes exoplanetas situam-se no meio”, diz Spake. ‘Não sabemos do que são feitos’. Uma possibilidade é que sejam constituídos por um núcleo rochoso rodeado por um grande envelope de hidrogénio e hélio. A outra teoria principal é que eles são feitos principalmente de água. Medir o seu sinal de hélio poderia ajudar a esclarecer de que são feitos os planetas mais comuns da galáxia.

E depois há a possibilidade de usar hélio para identificar terras distantes. Simplesmente devido ao seu tamanho diminuto, planetas rochosos como os nossos são difíceis de escolher em órbita em torno de estrelas distantes. Mas como a emissão de hélio emana da atmosfera superior dos planetas, o planeta aparece até três vezes maior neste comprimento de onda do que nos comprimentos de onda ópticos, diz Spake. A caça de plantas exóticas neste comprimento de onda deve tornar os planetas mais pequenos mais fáceis de detectar. O telescópio espacial James Webb, previsto para lançamento em Maio de 2020, deverá ser capaz de escolher exoplanetas do tamanho da Terra usando esta técnica.

‘Pensamos que o hélio é extremamente importante’, diz Spake. Esperamos que seja usado muito mais nos próximos anos.’

James Mitchell Crow é um escritor científico baseado em Melbourne, Austrália