Elio He

Il contesto scientifico dell'epoca

Per capire l'elio bisogna cominciare da una sproporzione. È il secondo elemento più leggero e il secondo più abbondante dell'universo osservabile, dopo l'idrogeno: costituisce circa il ventiquattro per cento della massa elementare totale, il che significa più di dodici volte la massa di tutti gli elementi più pesanti messi insieme. Tutto il resto della tavola periodica — il carbonio di cui siamo fatti, l'ossigeno che respiriamo, il ferro dei pianeti, l'oro e l'uranio — sta in un due per cento della materia atomica dell'universo. La stessa proporzione si ritrova nel Sole e in Giove. L'universo è fatto di idrogeno ed elio, e tutto il resto è un residuo.

Quella proporzione non è stata costruita dalle stelle: era già lì prima che esistessero. Nei primi minuti dopo il Big Bang l'universo restò abbastanza caldo e denso perché le reazioni di fusione procedessero, e il deuterio che si era formato fuse in nuclei più pesanti — trizio, elio-3, elio-4, litio-7. A quel punto intervenne una proprietà decisiva: l'elio-4 ha un'energia di legame elevata, e questo significa che una volta formato è difficile smontarlo per incorporarne i costituenti in nuclei più pesanti. La nucleosintesi primordiale si fermò lì. Il modello standard prevede che alla fine di quel processo l'universo fosse composto per circa il settantacinque per cento di idrogeno e per il venticinque per cento di elio-4 in massa: all'incirca le proporzioni che osserviamo ancora oggi. Quel rapporto fra i due elementi più leggeri è un fossile dei primi minuti di esistenza del cosmo.

Sulla Terra la situazione si capovolge nel modo più netto. Il secondo elemento dell'universo è presente nella nostra atmosfera a una concentrazione in volume di appena 5,2 parti per milione. Il dato curioso è che questa concentrazione resta bassa e piuttosto costante nonostante la produzione continua di elio nuovo, e la ragione è che quasi tutto l'elio atmosferico sfugge nello spazio attraverso diversi processi. Il pianeta non lo trattiene: è troppo leggero perché la gravità terrestre riesca a tenerlo. Con una sola eccezione geografica interessante — nell'eterosfera, cioè in una parte dell'alta atmosfera, elio e idrogeno sono gli elementi più abbondanti. Sopra le nostre teste, abbastanza in alto, la composizione dell'universo torna a farsi sentire.

La ragione ultima di tanta indifferenza sta in due numeri. La configurazione elettronica dell'elio è 1s²: due soli elettroni, che riempiono completamente il primo e unico guscio disponibile. Per strappargliene uno occorrono 2372,3 chilojoule per mole, e per il secondo 5250,5. Per avere un termine di paragone dentro la stessa famiglia: al neon ne bastano 2080, all'argon 1520, e a scendere lungo la colonna la cifra cala fino ai 1037 dello xenon, perché più l'atomo è grande più gli elettroni esterni sono lontani dal nucleo e meno sono trattenuti. I gas nobili hanno il potenziale di ionizzazione più alto di ciascun periodo, e l'elio è il primo di tutti. Non avendo né elettroni da cedere a un costo ragionevole né posti liberi dove accoglierne, i suoi stati di ossidazione comuni sono, alla lettera, nessuno. Con un raggio atomico di 31 picometri è anche l'atomo più piccolo dopo quello di idrogeno: minuscolo, compiuto e insensibile a quasi tutto.

Su un punto vale la pena essere precisi, perché la formulazione corrente — e anche la nota base di questo vault — dice che l'elio è l'elemento meno reattivo della tavola periodica. La voce enciclopedica dedicata all'elemento afferma qualcosa di leggermente diverso: che l'elio è il secondo gas nobile meno reattivo dopo il neon, e dunque il secondo elemento meno reattivo in assoluto. La differenza non cambia la sostanza — in condizioni standard l'elio è chimicamente inerte e monoatomico, senza composti stabili — ma cambia il primato. È un buon esempio di come i superlativi sopravvivano per inerzia anche quando la fonte li attribuisce a qualcun altro: per trovare il campione assoluto dell'indifferenza chimica bisogna scendere di una casella nella colonna dei gas nobili.

Su una proprietà le fonti non concordano, e la discrepanza è istruttiva. La scheda della voce dedicata all'elio riporta, alla riga dell'elettronegatività sulla scala di Pauling, l'indicazione «nessun dato»: coerente con l'idea che non abbia senso misurare quanto attragga elettroni un atomo che non forma legami. La tabella comparativa della voce sui gas nobili, però, un valore ce l'ha e lo assegna: 4,16 per l'elio e 4,79 per il neon — valori che, in quella tabella, sono i due più alti dell'intera colonna dei gas nobili. Sono due modi diversi di trattare la stessa grandezza — rifiutarsi di attribuirla in assenza di composti, oppure calcolarla per via teorica — e questo vault si limita a registrare che convivono nelle fonti senza che l'una smentisca l'altra.

L'altra proprietà che definisce l'elio è la sua capacità di passare dovunque. A causa della massa atomica relativamente bassa, la sua conducibilità termica, il suo calore specifico e la velocità del suono al suo interno sono, in fase gassosa, maggiori che in qualunque altro gas tranne l'idrogeno. Per queste ragioni e per le piccole dimensioni delle sue molecole monoatomiche, l'elio diffonde attraverso i solidi a una velocità tripla rispetto all'aria e pari a circa il sessantacinque per cento di quella dell'idrogeno. Un atomo di elio non ha bisogno di un buco per uscire da un contenitore: gli basta il materiale del contenitore.

La scoperta dell'elio è possibile soltanto perché qualcuno, mezzo secolo prima, aveva imparato a leggere la luce. Nel 1814 il fisico tedesco Joseph von Fraunhofer osservò nello spettro ottico del Sole una serie di righe scure, che da lui presero il nome. Sono righe di assorbimento: si formano quando gli atomi presenti nell'atmosfera solare assorbono la luce emessa dalla fotosfera sottostante. In altre parole, ogni riga scura è l'impronta di qualcosa che sta fra noi e la sorgente, e che si è preso per sé una precisa porzione di luce. Fraunhofer le catalogò senza sapere che cosa fossero; le battezzò con lettere, e proprio quelle lettere torneranno quando qualcuno chiamerà D3 la riga dell'elio.

Il passo decisivo arrivò negli anni Sessanta dell'Ottocento, cioè pochissimo prima dell'eclissi indiana. Furono i fisici tedeschi Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff a cominciare l'attribuzione sistematica degli spettri agli elementi chimici, scoprendo che le righe di Fraunhofer corrispondono alle righe di emissione osservate nelle sorgenti luminose di laboratorio. Applicando le tecniche ottiche di Fraunhofer, il bruciatore perfezionato da Bunsen e una procedura sperimentale sistematica, stabilirono il legame fra gli elementi chimici e i loro inconfondibili schemi spettrali. Da quel momento una riga di luce diventa una firma, e l'analisi spettrochimica si apre insieme al laboratorio e all'astrofisica. L'elio sarà il primo elemento che quella firma identificherà prima ancora che qualcuno ne possieda un campione.

Lo strato di Sole in cui l'elio fu trovato merita una presentazione, anche perché il suo nome viene dalla stessa persona. La cromosfera — letteralmente «sfera di colore», dal greco χρῶμα, colore, e σφαῖρα, sfera — è il secondo strato dell'atmosfera di una stella, collocato sopra la fotosfera e sotto la regione di transizione e la corona. Emette prevalentemente la luce rosso cupo della riga spettrale H-alfa, ed è quella che durante un'eclissi totale appare come un anello rossastro attorno al disco nero della Luna. Il nome lo propose Norman Lockyer, dopo osservazioni solari sistematiche, proprio per distinguere quello strato dalla fotosfera che emette luce bianca. Lo stesso uomo ha dunque battezzato sia il luogo sia la sostanza che vi trovò.

La vicenda umana

La scoperta comincia con qualcosa che nessuno notò. Il 18 agosto 1868, osservando l'eclissi totale da Guntur, nello stato di Madras — oggi Andhra Pradesh — nell'India britannica, Pierre Jules César Janssen vide righe brillanti nello spettro della cromosfera, e da quelle dedusse che la cromosfera è gassosa: già di per sé un risultato importante. Fra quelle righe ce n'era una gialla, che in seguito sarebbe stata misurata a 587,49 nanometri. Era la prima volta che quella riga veniva osservata, e una delle possibili spiegazioni era un elemento non ancora scoperto sulla Terra. Ma la fonte è esplicita su un punto che vale più di molti aneddoti: quella riga era presente nello spettro e non fu notata né commentata sul momento. Il primo uomo che vide l'elio non si accorse di averlo visto.

Per capire che razza di uomo fosse Janssen conviene guardare che cosa fece due anni dopo. Aveva partecipato a una lunga serie di spedizioni per osservare le eclissi — Trani nel 1867, Guntur nel 1868, poi Algeri nel 1870, il Siam, le isole Caroline, e ancora la Spagna nel 1905, a settantasette anni. Ma nel 1870 Parigi era sotto assedio. Janssen non rinunciò: per vedere quell'eclissi fuggì dalla città assediata a bordo di un pallone aerostatico. Il cielo, quel giorno, gli fu oscurato dalle nuvole. Vale la pena tenere a mente questa immagine quando si parla di scienza ottocentesca: un uomo che scavalca in mongolfiera le linee di un assedio e poi non vede nulla.

Il passo che Janssen non fece lo fece un inglese. Norman Lockyer osservò la stessa riga da Londra e la battezzò D3, perché cadeva accanto alle righe D1 e D2 del sodio nel catalogo di Fraunhofer. La riga non poteva essere spiegata da alcuna sostanza allora conosciuta, e Lockyer ne trasse la conclusione che gli altri esitavano a trarre: se non è nulla di noto, allora è un elemento del Sole ignoto sulla Terra. Lo chiamò elio, dal greco ἥλιος, sole. Era un'affermazione di una temerarietà notevole — postulare l'esistenza di una sostanza che nessuno aveva toccato, pesato o raccolto, sulla sola base di una banda di luce.

Il merito è condiviso per una circostanza che ha del romanzesco. L'osservazione della riga gialla era stata fatta prima da Janssen, durante l'eclissi del 18 agosto; ma i due articoli — quello del francese che l'aveva vista per primo e quello dell'inglese che aveva capito che cosa fosse — arrivarono all'Accademia francese delle scienze lo stesso giorno. Per questo Janssen e Lockyer ricevono di norma un credito congiunto. In una serie di approfondimenti dove il merito è quasi sempre conteso, rivendicato o strappato, l'elio offre il caso opposto: due uomini che non si erano accordati su nulla e che la posta arbitrò alla pari.

Il nome porta impressa una svista che è diventata permanente. La desinenza -io, in inglese -ium, è insolita per un gas: la convenzione chimica la riserva agli elementi metallici. La spiegazione più probabile è disarmante nella sua semplicità: Lockyer era un astronomo e non conosceva le convenzioni dei chimici. Si dice talvolta che al battesimo abbia partecipato anche il chimico inglese Edward Frankland, il che renderebbe la svista inspiegabile; ma è poco probabile, perché Frankland dubitava dell'esistenza stessa di questo nuovo elemento. Così un gas nobile, che non forma composti stabili con nulla, porta il nome di un metallo, e nessuno lo ha mai corretto.

C'è un capitolo italiano che di solito si salta. Nel 1881 il fisico Luigi Palmieri rilevò l'elio sulla Terra per la prima volta, riconoscendone la riga D3 mentre analizzava un materiale sublimato durante una recente eruzione del Vesuvio. Il titolo della sua comunicazione all'Accademia delle Scienze Fisiche e Matematiche di Napoli dice tutto senza giri di parole: «La riga dell'Helium apparsa in una recente sublimazione vesuviana». Quattordici anni prima di Ramsay, l'elemento del Sole era stato visto in una fumarola napoletana. Non bastò a cambiare la storia ufficiale della scoperta: vedere una riga in un campione è meno conclusivo che tenere in mano il gas, e la scoperta formale è rimasta datata 1895.

L'isolamento vero arrivò il 26 marzo 1895, e arrivò per sbaglio. William Ramsay trattò con acidi minerali la clevite — una varietà di uraninite con almeno il dieci per cento di terre rare — ma non stava cercando l'elio: cercava l'argon, che aveva scoperto l'anno prima. Separati dall'azoto e dall'ossigeno i gas liberati dall'acido solforico, notò una riga gialla brillante che corrispondeva alla D3 osservata nello spettro del Sole. Chi in questo vault ha seguito le storie dell'idrogeno e dell'azoto ha già incontrato Ramsay proprio a proposito dell'argon: è la terza volta che quel filone di ricerca produce un elemento, e la seconda volta che quello che trova non è quello che cercava.

Anche qui la scoperta è affollata, come lo era stata per l'ossigeno e per l'azoto. La scoperta formale dell'elemento è attribuita al 1895 e a tre chimici: William Ramsay, Per Teodor Cleve e Nils Abraham Langlet, che trovarono l'elio emanare dal minerale di uranio clevite. Una nota di dettaglio dice qualcosa su come la scienza riscrive le proprie categorie: la clevite oggi non è più considerata una specie mineralogica a sé, ma una varietà di uraninite. Il minerale che ha dato all'umanità l'elio terrestre, e che portava il nome di uno dei suoi scopritori, si è poi rivelato non essere un minerale distinto.

Conviene dire che cosa comportò, per la chimica, quella stagione di ricerche. Dopo che lui e Rayleigh ebbero identificato l'argon, Ramsay passò a studiare gli altri gas atmosferici, e il suo lavoro di isolamento — argon, elio, neon, cripton e xenon — portò allo sviluppo di una sezione nuova della tavola periodica. Non un elemento in più in una casella vuota: una colonna intera che nessuno aveva previsto. Nel 1904 Ramsay ricevette il Nobel per la chimica «per i suoi servizi nella scoperta degli elementi gassosi inerti dell'aria», e nello stesso anno Rayleigh ricevette quello per la fisica per la scoperta dell'argon. L'elio è l'unico della serie che non fu trovato nell'aria, e l'unico che era già stato battezzato da ventisette anni quando Ramsay lo prese in mano.

Vale la pena sapere chi fosse, nel 1868, l'uomo che postulò un elemento nuovo. Norman Lockyer era un impiegato pubblico: lavorò per alcuni anni al War Office britannico, dopo una scolarizzazione convenzionale integrata da viaggi in Svizzera e in Francia. Alla scienza era arrivato attraverso il padre, che era stato un pioniere del telegrafo elettrico, ed era un appassionato astronomo dilettante con un interesse particolare per il Sole. Solo nel 1885, diciassette anni dopo la scoperta, sarebbe diventato il primo professore di fisica astronomica al mondo, al Royal College of Science di South Kensington. L'uomo che disse all'Europa scientifica che nel Sole c'era una sostanza sconosciuta non aveva, in quel momento, alcuna cattedra da difendere.

La scoperta che ha reso possibile tutto il resto avvenne per via di un fallimento. Nel 1903 una trivellazione petrolifera a Dexter, in Kansas, produsse un geyser di gas che non voleva bruciare: da un punto di vista commerciale, un pozzo inutile. Il geologo Erasmus Haworth ne raccolse campioni e li portò all'Università del Kansas a Lawrence, dove con l'aiuto dei chimici Hamilton Cady e David McFarland scoprì che quel gas era per il settantadue per cento azoto, per il quindici metano, per l'uno idrogeno e per il dodici per cento qualcosa di non identificabile. Analizzando meglio, Cady e McFarland trovarono che l'1,84 per cento del campione era elio. Era la prova che, nonostante la rarità complessiva sulla Terra, l'elio si trovava concentrato in grandi quantità sotto le Grandi Pianure americane, estraibile come sottoprodotto del gas naturale. Un pozzo che non prendeva fuoco valeva più di uno che bruciava, solo che ci vollero anni per capirlo.

L'impatto industriale e sociale

Il 10 luglio 1908, a Leida, Heike Kamerlingh Onnes fu il primo a liquefare l'elio. Ci riuscì con diversi stadi di pre-raffreddamento e con il ciclo Hampson-Linde, basato sull'effetto Joule-Thomson, portando la temperatura al punto di ebollizione dell'elio: meno duecentosessantanove gradi, cioè 4,2 kelvin. Poi abbassò la pressione sul liquido e arrivò vicino a 1,5 kelvin, la temperatura più bassa mai registrata sulla Terra fino a quel momento. Nel 1913 gli valse il Nobel per la fisica. L'elio era stato l'ultimo gas a resistere alla liquefazione, e con la sua caduta si aprì un territorio di temperature che nessuno aveva mai esplorato.

Onnes, dopo avere liquefatto l'elio, provò a solidificarlo abbassando ancora la temperatura, e fallì: a pressione atmosferica l'elio non solidifica, per quanto lo si raffreddi. Ci riuscì un suo allievo, Willem Hendrik Keesom, che nel 1926 ottenne un centimetro cubo di elio solido applicando una pressione esterna aggiuntiva. Un centimetro cubo, cioè quanto un dado da gioco: per ottenerlo era servito schiacciare l'unico elemento che il freddo da solo non riesce a fermare. La comunicazione preliminare di quel risultato uscì su Nature nel luglio di quell'anno — ancora una volta la rivista di Lockyer.

C'è una proprietà dell'elio che vale la pena enunciare con precisione, perché è l'unica del suo genere in tutta la tavola periodica. A differenza di qualunque altro elemento, l'elio resta liquido fino allo zero assoluto. Non si tratta di una questione di raffreddamento insufficiente: è un effetto diretto della meccanica quantistica. L'energia di punto zero del sistema — l'agitazione residua che i principi quantistici impongono anche in assenza totale di calore — è troppo alta perché il congelamento possa avvenire. Per solidificarlo bisogna schiacciarlo: servono pressioni superiori a circa venticinque atmosfere. Togliere tutto il calore concepibile non basta, perché ciò che tiene in movimento quegli atomi non è calore.

Il territorio di temperature aperto dalla liquefazione conteneva subito qualcosa che nessuno si aspettava. L'8 aprile 1911, sempre a Leida, Onnes stava studiando la resistenza elettrica del mercurio a temperature criogeniche usando come refrigerante proprio l'elio liquido che aveva prodotto tre anni prima. A 4,2 kelvin osservò che la resistenza spariva di colpo. Era la superconduttività, e il suo significato è difficile da esagerare: una corrente elettrica che circola in un anello di filo superconduttore può persistere indefinitamente senza alcuna sorgente di alimentazione. Questo vault ha già raccontato il mercurio; vale la pena sapere che il metallo liquido a temperatura ambiente è anche il materiale in cui, raffreddato dall'elemento più freddo di tutti, si è vista per la prima volta la corrente che non si ferma mai.

L'elio liquido non è una sostanza sola: sono due, e si comportano in modo opposto. Sotto il punto di ebollizione di 4,22 kelvin e sopra il cosiddetto punto lambda, che sta a 2,1768 kelvin, l'elio-4 è un normale liquido incolore che i fisici chiamano elio I. Si comporta come gli altri liquidi criogenici: bolle quando lo si scalda e si contrae quando lo si raffredda. Sotto il punto lambda, però, smette di bollire e comincia a espandersi man mano che la temperatura scende ancora. Già l'elio I ha una stranezza che complica la vita di chi ci lavora: il suo indice di rifrazione è 1,026, tipico di un gas, e questo rende la sua superficie così difficile da vedere che per individuarla si ricorre a galleggianti di polistirolo.

Sotto il punto lambda si entra nell'elio II, ed è qui che la materia smette di comportarsi come ci aspettiamo. A differenza dei liquidi ordinari, l'elio II si arrampica lungo le superfici per raggiungere un livello uguale: se si immerge un recipiente aperto in un bagno di elio II, dopo poco i due livelli si sono pareggiati, perché il liquido è salito lungo la parete, ha scavalcato il bordo ed è sceso dall'altra parte. Lo fa muovendosi in una pellicola spessa trenta nanometri, e indipendentemente dal materiale della superficie: si chiama film di Rollin, dal nome di Bernard V. Rollin che per primo lo caratterizzò. Un recipiente non sigillato non trattiene l'elio II: il liquido risale i fianchi finché non raggiunge una zona più calda, dove evapora. Fra questo comportamento e la capacità di sfuggire rapidamente da aperture minuscole, l'elio II è estremamente difficile da confinare.

Il modello con cui i fisici descrivono l'elio II è già di per sé strano: il superfluido si comporta come se fosse una miscela di due componenti, una normale con tutte le proprietà di un fluido ordinario e una superfluida con viscosità nulla ed entropia nulla. Sotto un kelvin l'elio è quasi interamente superfluido. Da questa struttura a due componenti nasce un fenomeno che non ha equivalenti nella materia ordinaria: si possono generare onde di densità della componente normale, simili alle comuni onde sonore, e siccome quella densità dipende dalla temperatura, quelle onde sono anche onde di temperatura. Si chiama secondo suono. In un superfluido il caldo e il freddo si propagano come un suono, in onde che attraversano il liquido e si riflettono.

Fra i comportamenti dell'elio II ce n'è uno che si può mostrare a chiunque e che nessuno dimentica. Si prende un tubo capillare chiuso a un'estremità da un cosiddetto superleak — un tappo poroso che lascia passare solo la componente superfluida — lo si immerge in un bagno di elio superfluido e lo si scalda. L'elio risale il tubo e schizza fuori come una fontana. La causa sta nel fatto che sulla componente superfluida agisce un termine di forza dovuto al gradiente del potenziale chimico: scaldare da un lato genera un flusso verso quel lato. È l'esatto contrario dell'intuizione — di norma il calore fa scappare le cose — e basta una candela per far zampillare un liquido verso l'alto.

La scoperta della superfluidità merita un paragrafo a parte, perché è controversa in due modi diversi. La si attribuisce al 1937 e a Pëtr Kapitsa, che vi arrivò indipendentemente da John F. Allen e Don Misener; la teoria macroscopica poi accettata fu sviluppata da Lev Landau nel 1941. Il primo punto è che il Nobel per quella scoperta andò al solo Kapitsa, e non a chi ci era arrivato insieme a lui. Il secondo è più vertiginoso: la fonte riporta che Onnes osservò probabilmente la transizione di fase superfluida il 2 agosto 1911 — lo stesso giorno in cui osservò la superconduttività nel mercurio. Avrebbe avuto due scoperte epocali in una giornata sola, e ne riconobbe una.

Vale la pena guardare il bilancio degli usi, perché smentisce l'immagine che tutti abbiamo in testa. La produzione mondiale è stimata intorno ai trentadue milioni di chilogrammi l'anno, e la voce più grossa — circa il trentadue per cento nel 2014 — sono le applicazioni criogeniche, in gran parte il raffreddamento dei magneti superconduttori delle risonanze magnetiche e degli spettrometri NMR. Seguono la pressurizzazione e lo spurgo dei sistemi e il mantenimento di atmosfere controllate, con un diciotto per cento ciascuno, poi la saldatura con il tredici, la rivelazione delle fughe con il quattro e le miscele respiratorie con il due. I palloncini, che sono l'uso più noto dell'elio, sono una parte minore del totale. La sostanza che associamo alle feste di compleanno serve soprattutto a fare diagnosi negli ospedali.

Il filo che unisce quasi tutti questi impieghi è sempre lo stesso: l'elio serve dove occorre che non succeda nulla. Fa da gas protettivo nella crescita dei cristalli di silicio e di germanio, nella produzione del titanio e dello zirconio, e nella gascromatografia, e in ogni caso il motivo che la fonte indica è uno solo — perché è inerte. Le applicazioni industriali di questo tipo, messe insieme alla pressurizzazione e alla saldatura ad arco, assorbono metà del gas prodotto. Chi ha seguito in questo vault la storia dell'azoto riconoscerà lo schema: anche là due terzi della produzione servivano semplicemente a riempire uno spazio senza reagire. Con una differenza che conta, però, e che si vedrà fra poco: l'azoto lo si prende dall'aria, che ne è piena, mentre l'elio bisogna andarlo a cercare sottoterra.

Un impiego minore per volume ma insostituibile discende direttamente dalla capacità dell'elio di infilarsi ovunque. Poiché l'atomo è piccolo e diffonde attraverso i solidi meglio di quasi tutto, lo si usa per trovare le perdite: si mette in pressione un impianto con elio e si cerca dove esce. Nel bilancio statunitense del 2014 la rivelazione delle fughe pesa per il quattro per cento del consumo, una fetta piccola accanto alla criogenia; ma è la fetta che permette di certificare la tenuta di un impianto a vuoto o di un serbatoio. Il difetto che rende l'elio difficilissimo da immagazzinare è esattamente ciò che lo rende il migliore a scovare i difetti degli altri.

L'approfondimento dell'azoto si chiudeva osservando che il rimedio alla narcosi è togliere l'azoto. Visto dalla parte opposta, quel rimedio ha un nome ed è l'elio, che entra nelle miscele respiratorie in sostituzione di una parte dell'azoto per due ragioni distinte: ridurre l'effetto narcotico del gas respirato in profondità e ridurre il lavoro respiratorio, cioè la fatica di muovere un gas denso dentro e fuori dai polmoni. Il bilanciamento è un problema economico oltre che fisiologico: l'azoto costa poco ma è narcotico, l'elio non è narcotico e alleggerisce la respirazione ma costa di più e può aumentare la dispersione di calore. La miscela di elio e ossigeno senza azoto si chiama heliox e si usa nelle immersioni commerciali profonde, dove spesso viene riciclata proprio per risparmiare la componente costosa.

Il seguito della storia è un piccolo capolavoro di ironia fisiologica. Sostituito l'azoto con l'elio per eliminare la narcosi, oltre i centotrenta metri circa compare un disturbo diverso: la sindrome nervosa da alta pressione, che si manifesta respirando heliox a quelle profondità. E il modo per prevenirla è rimettere nella miscela un po' di azoto — quello stesso azoto che si era tolto. Da qui il trimix, miscela a tre componenti: elio, azoto e ossigeno, con le proporzioni aggiustate secondo la profondità. I meccanismi per cui il trimix previene i sintomi della sindrome furono dimostrati a partire dal 1979 da un gruppo guidato da Peter B. Bennett al laboratorio iperbarico del Duke University Medical Center. Nessuno dei due gas inerti va bene da solo: la soluzione è la dose giusta di entrambi i problemi.

Le controversie

Il punto da cui discende tutto il resto è che l'elio non si prende dall'aria. L'elio radiogenico prodotto sottoterra dal decadimento di torio e uranio resta intrappolato insieme al gas naturale, in concentrazioni che arrivano fino al sette per cento in volume, e da lì viene estratto commercialmente con una distillazione frazionata a bassa temperatura. Il confronto con l'azoto, raccontato in questo vault poche pagine fa, è istruttivo: quello si ricava dall'aria, che ne è piena ovunque sul pianeta e che nessuno può requisire. L'elio invece si trova soltanto dove un giacimento di gas naturale è abbastanza ricco da rendere conveniente separarlo. Una risorsa diffusa e una risorsa puntiforme hanno politiche diverse, e non per scelta di nessuno.

L'elio è una risorsa non rinnovabile in un senso più radicale del petrolio o del rame. Di quelli, almeno, ciò che si consuma resta sul pianeta in qualche forma; l'elio terrestre invece, una volta rilasciato nell'atmosfera, sfugge prontamente nello spazio. Non si ricicla perché non si recupera: se ne va. Le stime correnti indicano che le disponibilità stiano diminuendo rapidamente. Va però detto — e la fonte lo dice — che alcuni studi suggeriscono il quadro opposto: l'elio prodotto in profondità dal decadimento radioattivo potrebbe accumularsi nei giacimenti di gas naturale in quantità maggiori del previsto, in certi casi liberato dall'attività vulcanica. Il bilancio fra ciò che si forma sotto e ciò che scappa sopra non è chiuso.

La politica dell'elio è vecchia quanto il suo uso industriale, e nasce dalla guerra. Nel 1914 se ne discusse in Gran Bretagna e negli Stati Uniti come sostituto dell'idrogeno nei palloni di sbarramento e negli aeromobili; il primo sviluppo importante della produzione fu lo Helium Conservation Act del 3 marzo 1925, che istituì un programma di produzione e vendita sotto il controllo di un ente centralizzato, lo United States Bureau of Mines. Nello stesso periodo si scoprì che l'elio consentiva ai subacquei di restare sott'acqua più a lungo e di risalire più in fretta, il che aggiunse un'applicazione alla lista. Quanto ai timori di penuria, non sono affatto recenti: già nel 1982 si discuteva da più punti di vista della possibilità di una carenza di elio. Il dibattito ha quarant'anni e non ha ancora prodotto un'istituzione che se ne occupi.

Il salto di scala che rese l'elio una materia prima strategica ha una cifra che lo racconta meglio di ogni commento. Su suggerimento di Sir Richard Threlfall, durante la Prima guerra mondiale la Marina degli Stati Uniti finanziò tre piccoli impianti sperimentali, con l'obiettivo di rifornire i palloni di sbarramento di un gas più leggero dell'aria e non infiammabile. Quel programma produsse in tutto cinquemilasettecento metri cubi di elio al novantadue per cento — e il confronto è sbalorditivo, perché prima di allora se n'era ottenuto complessivamente meno di un metro cubo. Parte di quel gas riempì il primo dirigibile a elio del mondo, il C-7 della Marina statunitense, che il 1º dicembre 1921 compì il viaggio inaugurale da Hampton Roads, in Virginia, a Bolling Field a Washington. Il primo dirigibile rigido a elio, la USS Shenandoah, sarebbe volato quasi due anni dopo, nel settembre 1923.

Quello stoccaggio ebbe presto un luogo fisico, ed è una cupola di roccia in Texas. La Riserva nazionale dell'elio arrivò a contenere oltre un miliardo di metri cubi di gas — circa centosettanta milioni di chilogrammi — conservati nel giacimento geologico naturale del Bush Dome, a una ventina di chilometri da Amarillo. Era nata per una ragione militare del tutto ottocentesca: rifornire di gas le aeronavi. Poi la tecnologia dei dirigibili morì, e la riserva trovò un secondo scopo negli anni Cinquanta, come fonte strategica di refrigerante durante la Guerra fredda e la corsa allo spazio. Uno Stato aveva messo da parte un gas per far volare i palloni e si ritrovò ad avere in mano ciò che serviva per raffreddare i magneti.

La conseguenza più celebre di una politica sull'elio riguarda un dirigibile che fu progettato per un gas e costretto a volare con un altro. L'elio era stato scelto fin dall'inizio come gas di sollevamento dello Hindenburg, per la ragione più semplice possibile: era il più sicuro, perché non è infiammabile. Esisteva però un divieto statunitense all'esportazione, stabilito dallo Helium Control Act del 1927, e i tedeschi progettarono comunque l'aeronave per l'elio, confidando di riuscire a convincere il governo americano a concedere una licenza. Quando i progettisti appresero che il National Munitions Control Board rifiutava di revocare il divieto, dovettero riprogettare lo Hindenburg per l'idrogeno infiammabile, l'unico altro gas più leggero dell'aria in grado di fornire una portanza sufficiente.

Come si conviva con quella scelta lo dice un dettaglio che sembra uscito da una commedia. Lo Hindenburg aveva una sala fumatori a bordo, ed era tenuta in pressione per impedire l'ingresso di eventuale idrogeno sfuggito; vi si accedeva dal bar adiacente attraverso una porta girevole a camera stagna, e il barista controllava ogni passeggero in uscita per assicurarsi che non portasse fuori una sigaretta o una pipa accesa. Il 6 maggio 1937, in atterraggio alla base navale di Lakehurst nel New Jersey, l'aeronave prese fuoco. A bordo c'erano novantasette persone fra passeggeri ed equipaggio: ne morirono trentacinque, più una persona a terra, e sessantadue sopravvissero. Contrariamente all'impressione che lascia il filmato, la maggioranza di chi era a bordo si salvò.

Poi lo Stato decise di uscirne, e il modo in cui lo fece è al centro di una polemica che dura ancora. Lo Helium Privatization Act, in vigore dal 9 ottobre 1996, autorizzava accordi con soggetti privati per il recupero e la cessione dell'elio sulle terre federali: in sostanza, la messa in vendita dello stoccaggio nazionale, che il Congresso stabilì di smaltire entro il 2015. L'effetto sui prezzi fu quello che ci si poteva attendere — scesero — e con essi, secondo i critici, ogni incentivo a non sprecare. Il fisico Robert Coleman Richardson, premio Nobel, scriveva nel 2010 che il prezzo di mercato dell'elio aveva favorito usi dissipativi, i palloncini in testa a tutti, e che per eliminare lo spreco eccessivo quel prezzo andrebbe moltiplicato per venti. Vendere in fretta una riserva strategica è il modo più rapido per insegnare a un mercato che una cosa rara non vale molto.

Le conseguenze si leggono nella cronaca degli ultimi vent'anni. Fra il 2004 e il 2006 furono costruiti impianti a Ras Laffan in Qatar e a Skikda in Algeria, e l'Algeria divenne rapidamente il secondo produttore mondiale; fra il 2002 e il 2007 il prezzo dell'elio raddoppiò. Nel 2012 la Riserva nazionale statunitense rappresentava ancora il trenta per cento dell'elio mondiale, e si prevedeva che si esaurisse nel 2018. Nel 2013 il Qatar avviò la più grande unità di produzione del mondo — e nel 2017 la crisi diplomatica che isolò il paese colpì gravemente quella produzione. È il genere di notizia che di solito si legge a proposito del petrolio: qui riguarda il gas che raffredda le risonanze magnetiche degli ospedali di mezzo pianeta.

L'effetto meno visibile della penuria è anche il più definitivo, perché non riguarda i prezzi ma le carriere. Le carenze intermittenti e i rincari hanno spinto gli utilizzatori a cercare modi per risparmiare elio; ma una mancanza di forniture può colpire direttamente chi fa ricerca, e comportare la perdita di materiali e di apparecchiature — un magnete superconduttore che si riscalda non è un esperimento rimandato, è un esperimento distrutto. La conseguenza che la fonte registra è quella che dovrebbe far riflettere di più: alcune istituzioni si stanno allontanando dall'assumere nuovi docenti in aree di ricerca che richiedono l'uso di elio liquido. Non si rinuncia a un esperimento: si rinuncia a un intero filone, e si smette di formare le persone che lo avrebbero portato avanti.

Nel 2012 William Nuttall e alcuni colleghi pubblicarono un intervento dal titolo perentorio — «Stop squandering helium», smettete di sperperare l'elio — proponendo la creazione di un'Agenzia internazionale dell'elio che costruisse un mercato sostenibile della sostanza. La rivista che ospitò quell'appello era Nature. Vale la pena fermarsi un istante su questa circostanza, perché è una di quelle che la storia produce senza alcuna intenzione. Nature fu fondata nell'autunno del 1869, un anno dopo la riga gialla di Guntur, e a fondarla e dirigerla per primo fu Norman Lockyer: lo stesso uomo che all'elio aveva dato il nome. Centoquarantatré anni dopo, sulle pagine della rivista che aveva creato, si discuteva di come evitare di finire l'elemento che aveva battezzato.

L'eredità contemporanea

C'è un'identità che spiega da sola perché l'elio si trovi nei minerali di uranio, e che ci volle un po' a riconoscere. Ernest Rutherford aveva coniato il termine «particella alfa» studiando la radiazione dell'uranio: quella radiazione mostrava due caratteri diversi, e lui chiamò alfa il primo e beta il secondo, più penetrante. Dopo altri cinque anni di lavoro sperimentale, Rutherford e Hans Geiger stabilirono che «la particella alfa, dopo aver perso la propria carica positiva, è un atomo di elio». Una particella alfa è un nucleo di elio doppiamente ionizzato, né più né meno. E poiché la maggior parte dell'elio gassoso terrestre deriva proprio dal decadimento alfa di torio e uranio, con successiva cattura di elettroni dalla materia circostante, ne segue una conclusione che vale la pena formulare per intero: l'elio che compriamo è radioattività fossile. Ogni atomo è stato sparato fuori da un nucleo pesante, dentro una roccia, in un tempo geologico.

L'elio ha un secondo isotopo stabile che è insieme rarissimo e molto discusso. L'elio-3 ha due protoni e un solo neutrone, in un nucleo che i fisici chiamano helione, e la sua abbondanza naturale è dello 0,000137 per cento nell'atmosfera terrestre, contro lo 0,01 per cento nel sistema solare. La sua esistenza fu proposta nel 1934 dal fisico nucleare australiano Mark Oliphant, che lavorava al Cavendish Laboratory di Cambridge. Il motivo per cui se ne parla spesso è che si ritiene sia più abbondante sulla Luna che sulla Terra, depositato nello strato superiore del regolite dal vento solare nel corso di miliardi di anni — pur restando meno abbondante che nei giganti gassosi del sistema solare. È una delle poche ragioni economiche concrete che vengono addotte per tornare sulla Luna a scavare.

Se l'universo si fosse fermato all'idrogeno e all'elio, non ci sarebbe nessuno a raccontarlo. Il passaggio successivo è ostacolato da un collo di bottiglia che vale la pena guardare da vicino. Nel nucleo delle stelle l'elio si accumula come prodotto della catena protone-protone e del ciclo CNO; ma quando due nuclei di elio-4 fondono producono berillio-8, che è altamente instabile e ridecade in nuclei più piccoli con un'emivita di 8,19 per dieci alla meno diciassette secondi. Perché si formi qualcosa di più pesante, entro quella frazione di tempo incomprensibilmente breve deve arrivare una terza particella alfa e fondersi con il berillio-8. Perché questo accada abbastanza spesso serve che la stella, esaurito l'idrogeno del nucleo, si contragga e si scaldi fino a cento milioni di kelvin: sei volte la temperatura del centro del Sole.

Anche superato quell'ostacolo, il risultato è appeso a un filo sottilissimo. Il carbonio-12 che si forma è in uno stato eccitato di risonanza, detto stato di Hoyle, e quasi sempre ridecade in tre particelle alfa: solo una volta su circa duemilaquattrocento libera energia e si assesta nella forma stabile del carbonio-12. Che quella risonanza esista è una coincidenza numerica impressionante — l'energia di berillio-8 più elio-4 corrisponde quasi esattamente a quella di uno stato eccitato del carbonio-12 — e fu Fred Hoyle a prevederne l'esistenza prima che venisse osservata, sulla base di una necessità fisica: senza di essa, il carbonio non potrebbe formarsi nelle stelle. Hoyle, in sostanza, dedusse una proprietà del nucleo atomico dal fatto di esistere lui stesso per poterla dedurre.

Visto su scala cosmica, l'elio è l'orologio con cui le stelle misurano la propria vita. Le stelle evolvono perché cambia la loro composizione nel corso dell'esistenza: prima bruciano idrogeno, e allora stanno sulla sequenza principale; poi bruciano elio, e sono stelle del ramo orizzontale; poi via via elementi più pesanti. La nucleosintesi stellare è la creazione degli elementi chimici per fusione nucleare dentro le stelle, e va avanti dalla formazione originaria di idrogeno, elio e litio nel Big Bang. La teoria fu proposta da Fred Hoyle nel 1946 e da lui raffinata nel 1954: lo stesso Hoyle che, per far quadrare i conti del carbonio, aveva dovuto postulare una risonanza nucleare che nessuno aveva ancora visto.

Una seconda volta, l'elio ha fatto il mestiere che gli era riuscito meglio: comparire dove non lo si aspettava e costringere qualcuno a cambiare idea. Nel 1896 Edward Charles Pickering pubblicò l'osservazione di righe fino ad allora sconosciute nello spettro della stella ζ Puppis — righe che oggi sappiamo prodursi nelle stelle di Wolf-Rayet e in altre stelle calde. Pickering le attribuì a una forma nuova di idrogeno, dotata di livelli di transizione semi-interi, e nel 1912 Alfred Fowler riuscì a produrre righe simili da una miscela di idrogeno ed elio, confermando quella interpretazione. Per sedici anni, dunque, la spiegazione corrente fu che esistesse un idrogeno anomalo.

A smontare quella spiegazione fu la teoria, non un'osservazione nuova. Nel 1913 Niels Bohr pubblicò la sua trilogia sulla struttura atomica, e vi incluse un riesame della serie di Pickering-Fowler come prova centrale a sostegno del proprio modello. Il ragionamento era netto: il suo modello non ammette transizioni semi-intere — e non le ammette nemmeno la meccanica quantistica — quindi Pickering e Fowler si sbagliavano, e quelle righe andavano attribuite non a un idrogeno strano ma all'elio ionizzato. Fowler fu inizialmente scettico e alla fine si convinse; entro il 1915 gli spettroscopisti avevano trasferito definitivamente quella serie dall'idrogeno all'elio. Il lavoro di Bohr su quelle righe dimostrò la necessità di riesaminare problemi che sembravano già risolti dentro le teorie classiche, e fornì una conferma importante della sua teoria atomica. Chi ha letto in questo vault l'approfondimento dell'idrogeno ritrova qui il modello di Bohr da un'angolazione diversa: là spiegava le righe dell'idrogeno, qui dimostra che certe righe non erano affatto dell'idrogeno.

L'inerzia dell'elio non è però assoluta come il senso comune suggerisce, e la sua eccezione più notevole è un capolavoro di paradosso. L'elio ha valenza zero ed è chimicamente non reattivo in tutte le condizioni normali; sottoposto a scarica luminescente, a bombardamento elettronico o ridotto a plasma, però, forma composti instabili detti eccimeri con tungsteno, iodio, fluoro, zolfo e fosforo, e per questa via sono stati creati composti come HeNe e WHe₂ e ioni molecolari come HeH⁺. Quest'ultimo è stabile nel suo stato fondamentale ed è estremamente reattivo: è il più forte acido di Brønsted conosciuto, tanto che può esistere solo isolato, perché protona qualunque molecola o controanione incontri. L'elemento più restio a combinarsi di tutta la chimica ordinaria produce, legandosi all'idrogeno, la sostanza più avida di cedere un protone che si conosca.

Una cifra sola basta a dare la misura di quanto la fisica contemporanea dipenda da questo gas: i magneti superconduttori del Large Hadron Collider sono raffreddati con centoventi tonnellate di elio liquido. La macchina con cui abbiamo cercato il bosone di Higgs è, vista da un certo angolo, il più grande frigorifero mai costruito. Lo stesso principio scoperto da Onnes nel 1911 — resistenza che sparisce al freddo estremo — regge oggi la risonanza magnetica ospedaliera, la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, la magnetoencefalografia e gli acceleratori di particelle. In tutti questi casi ciò che rende possibile la macchina non è un materiale nuovo: è il solo elemento capace di stare liquido abbastanza vicino allo zero assoluto.

L'effetto per cui l'elio è più noto al pubblico è anche quello più frainteso. Respirando elio le corde vocali vibrano esattamente come quando la laringe è piena d'aria, e dunque la frequenza fondamentale — ciò che chiamiamo altezza del suono — non cambia affatto. Quel che cambia è che l'amplificazione favorisce le frequenze alte, e ne risulta una modifica del timbro: una qualità vocale nasale, da papera. Non si parla più acuto, si parla diverso. Esiste anche l'effetto opposto, che abbassa le frequenze di risonanza, e lo si ottiene inalando un gas denso come l'esafluoruro di zolfo o lo xenon.

Va detto, perché la voce enciclopedica gli dedica spazio e perché la leggerezza del contesto in cui l'elio compare induce a sottovalutarlo: inalarlo in eccesso è pericoloso. L'elio è un asfissiante semplice — non è tossico, semplicemente prende il posto dell'ossigeno — e come nell'azoto liquido il rischio sta proprio nell'assenza di segnali d'allarme. La fonte elenca inoltre casi di barotrauma legati all'inalazione diretta da bombole in pressione, che è cosa diversa dal respirare il contenuto di un palloncino. Il gas che fa ridere le feste di compleanno è classificato come gas sotto pressione, e la ragione per cui le etichette lo segnalano non è burocratica.

Nessun altro elemento ha una storia costruita così interamente su un rovesciamento. L'elio è il secondo componente dell'universo e una presenza da 5,2 parti per milione nella nostra atmosfera; è stato trovato in cielo ventisette anni prima che quaggiù; porta il nome del Sole e la desinenza di un metallo, affibbiatagli da un astronomo distratto; è il più inerte dei gas e produce l'acido più forte che si conosca; è il residuo di un decadimento radioattivo e serve a fare diagnosi negli ospedali; resta liquido a una temperatura alla quale ogni altra cosa è ferma, e per solidificarlo bisogna schiacciarlo. E soprattutto: è l'unica sostanza che consumiamo davvero in modo definitivo, perché una volta liberata se ne va dal pianeta. Ogni palloncino che sfugge di mano a un bambino restituisce all'universo un po' di ciò che il pianeta aveva trattenuto per caso — atomi sparati fuori da un nucleo di uranio, rimasti intrappolati in una roccia per ere geologiche, e ora liberi di tornare là dove quell'elemento è la norma e noi siamo l'eccezione.