পৃথিবীতে হিলিয়াম এল কোথা থেকে ?

~কলমে অম্লান রায়~

আমাদের ছোটবেলায় দুর্গা পূজার সময়ে পাড়ার মোড়ে গ্যাস বেলুন বিক্রি হত, আর তা আমাদের খুব প্রিয় ছিল, কারণ তা ছেড়ে দিলে আকাশে উড়ে যেত। আমরা তাই সেই বেলুন শক্ত করে ধরে থাকতাম, যাতে উড়ে না যায়। সাধারণ বেলুন সারা বছরই পাওয়া যেত, কিন্তু তা আকাশে উড়ে যেত না। তাই আমাদের প্রিয় ছিল গ্যাস বেলুন।

      এখন কথা হল গ্যাস বেলুনে কি গ্যাস ভরা থাকে, যার জন্য সে আকাশে উড়ে যায়। অবশ্যই বাতাসের চেয়ে হাল্কা কোন গ্যাস। গ্যাস বেলুনে হিলিয়াম বা হাইড্রোজেন গ্যাস ভরা থাকে এবং তা বাতাসের (নাইট্রোজেন ও অক্সিজেনের মিশ্রণ) চেয়ে হাল্কা, তাই গ্যাস বেলুন আকাশে উড়ে। হিলিয়াম গ্যাস অক্সিজেনের চেয়ে অনেক নিরাপদ, কারণ সে একটা নিষ্ক্রিয় মৌল, তার সাথে কারুর বিক্রিয়া হবে না বা আগুন ধরবে না। এই হিলিয়াম গ্যাসকে অনেক কম তাপমাত্রায় (–২৬৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস) নিয়ে গেলে, সে সাধারণ বায়ুমণ্ডলীয় চাপেই তরল হিলিয়ামে পরিণত হয়। –২৬৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস মানে হল যে তাপমাত্রায় সাধারণ বায়ুমণ্ডলীয় চাপে জল বরফে পরিণত হয় (০ ডিগ্রি সেলসিয়াস), তার থেকে আরও ২৬৯ ডিগ্রি কম তাপমাত্রা। এ এক অকল্পনীয় ঠাণ্ডা। অবশ্য শুধু হিলিয়াম বলে নয়, সব গ্যাসকেই ঠাণ্ডা করলে এক সময় তা তরলে পরিণত হয়। কিন্তু তরল করার জন্য আর কোন গ্যাসকে হিলিয়ামের মত এত কম তাপমাত্রায় নিয়ে যেতে হয় না। তরল হিলিয়াম ব্যবহার  করে কোন জিনিসকে খুব ঠাণ্ডা (–২৬৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস) করা যায়। কিন্তু কি হবে এত ঠাণ্ডা করে?

     বৈদ্যুতিক চুম্বকের কথা আমরা জানি। একটা তারের কুণ্ডলীর মধ্যে দিয়ে তড়িৎপ্রবাহ চালালে, চৌম্বক ক্ষেত্রের সৃষ্টি হয়। কিন্তু তার ফলে তারের কুণ্ডলী গরম হয়ে যায়, কারণ তড়িৎপ্রবাহ তারের মধ্যে দিয়ে যাবার সময় বাধা পায়, অর্থাৎ তারের একটা বৈদ্যুতিক রোধ আছে। কাজেই এই ভাবে খুব উচ্চ তড়িৎ প্রবাহ চালানো যায় না। ফলে এই ভাবে খুব উচ্চ চৌম্বক ক্ষেত্রে সৃষ্টি করা যায় না। নায়োবিয়াম ও টাইটেনিয়ামের সংকর ধাতুকে –২৬৩ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় নিয়ে গেলে, হঠাৎ করে তার বৈদ্যুতিক রোধ শূন্য হয়ে যায়। তখন ব্যাটারি খুলে নিলেও নায়োবিয়াম ও টাইটেনিয়ামের তারের কুণ্ডলী দিয়ে তড়িৎপ্রবাহ চলতেই থাকবে এবং তার জন্য কুণ্ডলী গরম হয় না, কারণ তখন বৈদ্যুতিক রোধ শূন্য হয়ে গেছে। এই  ঘটনাকে   অতিপরিবাহিতা বলে। অতিপরিবাহী তার ব্যবহার করেই উচ্চ চৌম্বক ক্ষেত্র সৃষ্টিকারী বৈদ্যুতিক চুম্বক বানানো হয়। এই ধরনের উচ্চ চৌম্বক ক্ষেত্র সৃষ্টিকারী বৈদ্যুতিক চুম্বক ব্যবহার করেই Magnetic Resonance Imaging (MRI) পদ্ধতির সাহায্যে শরীরের ভিতরের ছবি তুলে টিউমারের অবস্থান জানা যায়। কাজেই শক্তিশালী বৈদ্যুতিক চুম্বক বানানোর জন্য অতিপরিবাহী তারের কুণ্ডলী ব্যবহার করতে হবে এবং তারের কুণ্ডলীকে –২৬৩  ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় নিয়ে যাবার জন্য তরল হিলিয়াম প্রয়োজন, যা হিলিয়াম গ্যাসকে তরলীভূত করে পাওয়া যায়। এখানেই হিলিয়ামের প্রয়োজনীয়তা এবং সব হাসপাতালে (যেখানেই  MRI করা হয়) সেখানেই হিলিয়াম প্রয়োজন। গবেষণাগারেও একই কারণে হিলিয়ামের চাহিদা রয়েছে। ভারতবর্ষ প্রধানত USA থেকে হিলিয়াম আমদানি করে এবং তার জন্য বছরে ৫৫০০০ কোটি টাকা খরচ করে। তার উপর আমেরিকা এখন হিলিয়াম রপ্তানিতে বিধি-নিষেধ আরোপ করছে। কাজেই ভারতবর্ষের নিজস্ব হিলিয়ামের উৎসের খুবই প্রয়োজন।

    ভুগর্ভ থেকে নির্গত প্রাকৃতিক গ্যাসের সাথে অনেক সময় হিলিয়াম গ্যাস পাওয়া যায়। যদি এক জায়গা থেকে যথেষ্ট পরিমাণে হিলিয়াম গ্যাস নির্গত হয়, তবে তা সংগ্রহ করে বাণিজ্যিক ভাবে লাভবান হওয়া যায়। ভারতবর্ষের দাক্ষিণাত্যের কাবেরি বেসিনে ও পশ্চিমবঙ্গের বীরভূম জেলার বক্রেশ্বর ও সংলগ্ন ঝাড়খণ্ড অঞ্চলে হিলিয়াম গ্যাস পাওয়া গেছে এবং তা বাণিজ্যিক ভাবে সংগ্রহ করা যায় কি না তা দেখা হচ্ছে। এই প্রবন্ধে  আমরা আলোচনা করব কি ভাবে মাটির নিচে হিলিয়াম এলো এবং এখনো সৃষ্টি হচ্ছে।

বিষয়টা নিয়ে আলোচনা করতে হলে পরমাণু নিয়ে দুই একটা কথা বলতে হয়। পরমাণু হচ্ছে কোন মৌলের ক্ষুদ্রতম অংশ, যার মধ্যে ঐ মৌলের সব রাসায়নিক ধর্ম থাকে। পরমাণুর  ব্যাস আমাদের মাথার একটা চুলের ব্যাসের চেয়ে লক্ষ গুণ কম। পরমাণুর মাঝখানে খুব ছোট (পরমাণুর ব্যাসের চেয়ে ১০,০০০ গুণ কম ব্যাসের) ধনাত্মক তড়িৎযুক্ত একটা আঁটোসাঁট অংশ থাকে। এই অংশটিকে পরমাণুর কেন্দ্রক বা নিউক্লিয়াস বলে। পরমাণুর নিউক্লিয়াস ধনাত্মক তড়িৎযুক্ত প্রোটন ও তড়িৎ-নিরপেক্ষ নিউট্রন কণা দিয়ে গঠিত। নিউক্লিয়াসের চারিদিকে বিভিন্ন কক্ষপথে প্রোটন বা নিউট্রনের চেয়ে প্রায় ২০০০ গুণ হালকা ঋণাত্মক তড়িৎযুক্ত ইলেকট্রনরা ঘুরতে থাকে এবং সব মিলিয়ে পরমাণু তড়িৎ-নিরপেক্ষ হয়। পরমাণুর ইলেকট্রনের বিন্যাস (যার উপর রাসায়নিক ধর্ম নির্ভর করে) নিউক্লিয়াসে প্রোটনের সংখ্যার উপর নির্ভর করে। প্রোটনের সংখ্যা একই রেখে পরমাণুর নিউক্লিয়াসে নিউট্রনের সংখ্যা বদলালে পরমাণুর রাসায়নিক ধর্ম একই থাকে এবং এই ধরনের দুটি পরমাণুকে পরস্পরের আইসোটোপ বলে। যেমন হিলিয়ামের দুটো আইসোটোপ হল 4He (২ টি প্রোটন ও ২ টি নিউট্রন দিয়ে গঠিত) ও 3He (২ টি প্রোটন ও ১ টি নিউট্রন দিয়ে গঠিত)। প্রোটন-প্রোটন ও প্রোটন-নিউট্রনের মধ্যে খুব অল্প দূরত্বে (নিউক্লিয়াসের মধ্যে) এক প্রবল আকর্ষণী বল (গুরু বল) কাজ করে এবং তার ফলে পরমাণু স্থায়ী হয়। কিন্তু নিউক্লিয়াসে প্রোটনের সংখ্যা খুব বেশি হলে তাদের মধ্যে বৈদ্যুতিক বিকর্ষণ বলের জন্য তা আর স্থায়ী হয় না। যেমন ইউরেনিয়াম (প্রোটনের সংখ্যা ৯২ ), থোরিয়াম (প্রোটনের সংখ্যা ৯০) ইত্যাদি মৌল স্থায়ী হয় না। তাদের থেকে দুটো প্রোটন ও দুটো নিউট্রনের সমন্বয়ে গঠিত হিলিয়ামের নিউক্লিয়াস বেরিয়ে আসে ও প্রোটনের সংখ্যার পরিবর্তনের জন্য তারা ভিন্ন মৌলে পরিণত হয়। এই ঘটনাকে তেজস্ক্রিয়তা বলে।

যে যে ভাবে পৃথিবীতে হিলিয়াম আসতে পারে, তা হল

১) পৃথিবীর অভ্যন্তরে থাকা ইউরেনিয়াম ও থোরিয়ামের তেজস্ক্রিয়তার ফলে হিলিয়ামের ভারি আইসোটোপ (4He) সৃষ্টি।

২) বিগব্যাং অর্থাৎ সৃষ্টির আদি লগ্নে ঘটা মহা বিস্ফোরণের ফলে হাইড্রোজেন, হিলিয়াম ও লিথিয়ামের সৃষ্টি হয়েছিল। আদিম হিলিয়ামে হিলিয়ামের ভারি (4He) ও হাল্কা (3He) দুটো আইসোটোপই ছিল এবং এই  আদিম হিলিয়ামের কিছু অংশ পৃথিবীর গভীরে আছে ও লাভা স্রোতের সাথে বেরিয়ে আসে।

৩) ভূত্বকে লিথিয়ামের সাথে নিউট্রনের বিক্রিয়ায় ভারি হিলিয়াম (4He) ও তার সাথে ট্রিটিয়াম (হাইড্রোজেনের হাল্কা আইসোটোপ) উৎপন্ন হয়। ট্রিটিয়াম থেকে তেজস্ক্রিয়তার মাধ্যমে হিলিয়ামের হাল্কা আইসোটোপ (3He) পাওয়া যায়।

৪) পৃথিবীর গভীরে নিউক্লিয়ার ফিউশন (দুটো হাইড্রোজেন বা তার ভারি আইসোটোপ 2H এর সংযোজন) বা ফিসান (ভারি নিউক্লিয়াস যেমন ইউরেনিয়াম-২৩৫ আইসোটোপ ভেঙ্গে যাওয়া)বিক্রিয়ার মাধ্যমে ভারি হিলিয়ামের (4He) সৃষ্টি।

এইগুলোর মধ্যে কোনগুলি গুরুত্বপূর্ণ জানবো কি করে? প্রথমে বিচার করা যাক ভারি ও হাল্কা হিলিয়ামের অনুপাত (3He/4He) দিয়ে।

উল্কাপিণ্ডের (meteorite) উপর পরীক্ষা করে জানা গেছে আদিম হিলিয়ামে, হিলিয়ামের হাল্কা আইসোটোপ (3He) ও ভারী আইসোটোপের (4He) অনুপাত প্রায় দশ হাজার ভাগের এক ভাগ। অন্যদিকে ইউরেনিয়াম ও থোরিয়ামের তেজস্ক্রিয়তার ফলে কেবলমাত্র হিলিয়ামের ভারী আইসোটোপ বেরোয়। বর্তমানে পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলে হিলিয়ামের হাল্কা ও ভারী আইসোটোপের অনুপাত প্রায় দশ লক্ষ ভাগের এক ভাগ। কাজেই বাতাসের হিলিয়ামের প্রায় ৯৯% আসছে তেজস্ক্রিয়তা থেকে। বক্রেশ্বরের হিলিয়াম গ্যাসেও এই অনুপাত (3He/4He ) বায়ুমণ্ডলের কাছাকাছি। কাজেই বক্রেশ্বরের হিলিয়াম গ্যাসেরও ৯৯% আসছে তেজস্ক্রিয়তা থেকে। অগ্ন্যুৎপাতের সময় লাভা স্রোতে পাওয়া হিলিয়াম গ্যাসে 3He/4He এর অনুপাত অনেক বেশি থাকে অর্থাৎ সেখানে আদিম হিলিয়ামের পরিমাণ বেশি থাকে।

ভূত্বকে লিথিয়ামের সাথে নিউট্রনের বিক্রিয়ায় হিলিয়ামের সৃষ্টি হলে তার সাথে ট্রিটিয়ামও উৎপন্ন হবে।  বর্তমান পরিমাপ অনুযায়ী পৃথিবীতে মোট ট্রিটিয়ামের পরিমাণ ৩০ কেজিরও কম। কাজেই এই নিউক্লিয়ার বিক্রিয়ার মাধ্যমে পৃথিবীতে উল্লেখযোগ্য পরিমাণে হিলিয়াম সৃষ্টির সম্ভাবনা নেই।

    পৃথিবীর গভীরে নিউক্লিয়ার ফিউশন বা ফিসান বিক্রিয়ার মাধ্যমে হিলিয়ামের সৃষ্টি কি গুরুত্বপূর্ণ হতে পারে? সুদূর অতীতে (প্রায় ২০০ কোটি বছর আগে), আফ্রিকাতে ইউরেনিয়ামের সাহায্যে স্বল্প ক্ষমতার প্রাকৃতিক fission reactor কয়েক হাজার বছর ধরে ছিল বলে প্রমাণ পাওয়া গেছে। অবশ্য ফিউশন বা সংযোজন বিক্রিয়া ঘটার মত চাপ ও তাপমাত্রা পৃথিবীর কেন্দ্রে নেই। তবে জাপানী বিজ্ঞানী ফুকুহারা ও তাঁর আগে কয়েকজন রুশ বিজ্ঞানী বলেছিলেন যে পৃথিবীর কেন্দ্রীয় অঞ্চলে হাইড্রোজেনের একটা ভারি আইসোটোপ ডিউটেরিয়াম লোহার সাথে যৌগ হিসাবে থাকতে পারে এবং তাদের মধ্যে ঠাণ্ডা ফিউশন (কোল্ড ফিউশন) ঘটার একটা মডেল তাঁরা দিয়েছিলেন এবং তার ফলে হিলিয়াম উৎপাদনের কথা তাঁরা বলেন। বর্তমান হিসাব অনুযায়ী পৃথিবীর ভিতর থেকে ভূপৃষ্ঠে তাপ প্রবাহের হার প্রায় ৪.৭ কোটি মেগাওয়াট।  এই বিপুল পরিমাণ নির্গত তাপের উৎস বোঝার জন্য পৃথিবীর কেন্দ্রে কোল্ড ফিউশন ঘটার প্রয়োজন আছে বলে ফুকুহারা মনে করেন। কিন্তু এই ধরণের ফিউশন বিক্রিয়ার ফলে পৃথিবীর কেন্দ্র থেকে বিপুল পরিমাণে উচ্চ শক্তির নিউট্রিনো কণিকাও (নিউট্রনো হচ্ছে এক ধরনের প্রায় ভরহীন তড়িৎনিরপেক্ষ কণিকা) বেরনোর কথা। অন্যদিকে পৃথিবীর অভ্যন্তরে থাকা ইউরেনিয়াম, থোরিয়াম ইত্যাদি তেজস্ক্রিয় পদার্থ থেকে তেজস্ক্রিয়তার ফলে হিলিয়াম উৎপাদনের সাথে তাপ উৎপন্ন হয় এবং উচ্চ শক্তির নিউট্রিনো কণিকা বেরোয়। পৃথিবী থেকে নির্গত নিউট্রিনো কণিকার পরিমাপ করে কি ঘটছে তা জানা কি সম্ভব?

বেশ কিছু বছর ধরে ইটালিতে মাটির ১ কিলোমিটারেরও বেশি নিচে BOREXINO নামে একটা গ্রুপ যন্ত্র বসিয়ে পৃথিবীর ভিতর থেকে আসা নিউট্রিনোর সংখ্যা মাপছে।  ২০২০ সালে প্রকাশিত তাদের গবেষণা পত্র থেকে জানা যায় যে পৃথিবীর ভিতর থেকে যা নিউট্রিনো কণিকা আসছে তা প্রায় সবই ভূত্বক এবং পৃথিবীর অভ্যন্তরে থাকা ইউরেনিয়াম, থোরিয়াম ইত্যাদি তেজস্ক্রিয় পদার্থের তেজস্ক্রিয়তা থেকে আসছে। পৃথিবীর কেন্দ্রে  ফিসন বা ফিউশন বিক্রিয়ার ফলে সৃষ্ট নিউট্রিনোর কোন হদিশ পাওয়া যায় নি। BOREXINO গ্রুপ এটাও দেখায় যে তাদের মাপা ইউরেনিয়াম, থোরিয়াম ইত্যাদি তেজস্ক্রিয় পদার্থ থেকে নির্গত নিউট্রিনো কণিকার সংখ্যার ভিত্তিতে গণনা করে দেখা যায় যে  সব রকম তেজস্ক্রিয়তার জন্য মোট তাপ উৎপাদনের হার ৩.৮ কোটি মেগাওয়াট এবং পরীক্ষার সম্ভাব্য ত্রুটির কারণে এই পরিমাপ আরও ১ কোটি মেগাওয়াট কম বা বেশি হতে পারে। সুতরাং এই পরিমাপ পৃথিবীর ভিতর থেকে ভূপৃষ্ঠে তাপ প্রবাহের হারের (৪.৭ কোটি মেগাওয়াট) কাছাকাছি। বাকিটা পৃথিবী সৃষ্টির সময়ে সঞ্চিত তাপ থেকেই আসার সম্ভাবনা। কাজেই অন্য কোন শক্তির উৎসের প্রয়োজন নেই। যদি কোন ফিশন বা ফিউশন বিক্রিয়া পৃথিবীর অভ্যন্তরে ঘটছে বলে ভাবা হয়, তবে তা অবশ্যই খুব অল্প ক্ষমতা সম্পন্ন (০.২৪ কোটি মেগাওয়াটের বেশি নয়) হতে হবে, যা BOREXINO গ্রুপ মাপতে পারে নি। কাজেই পৃথিবীতে হিলিয়াম এসেছে মূলত পৃথিবীতে সঞ্চিত তেজস্ক্রিয় ইউরেনিয়াম ও থোরিয়াম থেকে। এই সব তেজস্ক্রিয় পদার্থ থেকে নির্গত হিলিয়ামের নিউক্লিয়াসের সাথে দুটো ইলেকট্রন যুক্ত হয়ে হিলিয়ামের পরমাণু গঠিত হয় এবং এই হিলিয়াম গ্যাস ভূগর্ভ থেকে নির্গত প্রাকৃতিক গ্যাসের সাথে সাধারণত পাওয়া যায়।