Content
- Què és Helium?
- D’on prové l’heli?
- Per què l’heli en algun gas natural?
- On és el gas natural ric en heli?
- Usos de l’heli
- Imatges per ressonància magnètica
- Gas Ascensor
- Purg de gas
- Fabricació d’Atmosfera Controlada
- Detecció de fuites
- Mescles respiratòries
- Gas de soldadura
- Heli: un recurs no renovable
- Glutis d’heli i escassetat d’heli
Golpe d’heli: La majoria de la gent ha sentit parlar de l'heli que es fa servir com a gas per aixecar globus meteorològics, cops de porra i globus per a festes. Es tracta d’usos molt menors de l’heli. L’ús que consumeix més heli que cap altre és refredar els imants en les màquines d’imatge de ressonància magnètica en instal·lacions mèdiques. Foto de Goodyear blimp de Derek Jensen.
Què és Helium?
L’heli és un element químic i un gas inert incolor, inodor, sense sabor. Té el radi atòmic més petit de qualsevol element i el segon pes atòmic més baix. És més lleuger que l’aire.
La majoria de la gent sap que l'heli s'utilitza com a gas per aixecar cops de sol i globus de festa, però no es pot dir d'una altra manera com s'utilitza. L’ús número 1 de l’heli és com a gas de refrigeració per a màquines d’imatge per ressonància magnètica (RMN) que s’utilitzen a les instal·lacions mèdiques. Altres usos importants de l’heli inclouen: un gas protector per a la soldadura, un gas inert per a la fabricació d’atmosfera controlada, un gas fugitiu utilitzat per a la detecció de fuites i un gas de baixa viscositat per a barreges respiratòries a pressió.
D’on prové l’heli?
Hi ha molt poc heli a l'atmosfera terrestre. És un element tan lleuger que la gravetat de la Terra no pot mantenir-la. Quan es presenta a la superfície de la Terra, l’heli no confinat comença immediatament a augmentar fins que s’escapa del planeta. Per això s’aixequen globus de festa!
L’heli que es produeix comercialment s’obté de la terra. Alguns camps de gas natural tenen prou heli barrejat amb el gas que es pot extreure a un preu econòmic. Alguns camps als Estats Units contenen més d’un 7% d’heli per volum. Les empreses que exerceixen gas natural en aquestes zones produeixen gas natural, el processen i eliminen l’heli com a subproducte.
Dipòsits de gas natural portadors d’heli: Model de dipòsit per als camps de gas natural portadors d’heli als Estats Units. L’heli es produeix per la desintegració de l’urani i el tori en roques basals granitoides. L’heli alliberat és boent i es desplaça cap a la superfície en porositat associada a falles del soterrani. L'heli es desplaça cap amunt a través de la coberta sedimentària porosa fins quedar atrapat amb gas natural sota llits d'anhidrita o sal. Aquests són els únics tipus de roques persistents lateralment que són capaços d’atrapar i contenir els petits àtoms de l’heli boníssim. Aquesta situació geològica només es produeix en algunes localitats del món i és per això que són poc freqüents les acumulacions riques d’heli.
Relacionat: Un nou ús dels discs durs de l’heli
Per què l’heli en algun gas natural?
Es creu que la major part de l’heli que s’elimina del gas natural forma part de la desintegració radioactiva d’urani i tori a les roques granitoides de l’escorça continental de la Terra. Com a gas molt lleuger, és boent i busca avançar cap amunt tan aviat com es forma. Les acumulacions d’heli més riques es troben quan existeixen tres condicions: 1) les roques basals granitoides són riques en urani i tori; 2) les roques del soterrani es trenquen i es trenquen per proporcionar camins d’escapament per a l’heli; i, 3) les roques sedimentàries poroses per sobre de les falles del soterrani estan tapades per un segell impermeable d’halita o anhidrita. Quan es compleixen aquestes tres condicions, l’heli es pot acumular a la capa de roca sedimentària porosa.
L’heli té el radi atòmic més petit de qualsevol element, uns 0,2 nanòmetres. Així doncs, quan es forma i comença a avançar cap amunt, pot encaixar-se a través d’espais de porus molt petits dins de les roques. L’halita i l’anhidrita són les úniques roques sedimentàries que poden bloquejar la migració ascendent dels àtoms d’heli. Les arbres que tenen els seus espais porus connectats amb materials orgànics abundants (kerogen) de vegades serveixen de barrera menys efectiva.
Dipòsits de gas natural portadors d’heli: Mapa que mostra els camps de gas natural que serveixen com a fonts importants d’heli als Estats Units. El gas natural produït a partir d’aquests camps conté entre un 0,3% i un més d’un 7% d’heli. L’heli s’elimina del gas per a la venda comercial. Imatge mitjançant dades d'ubicació de l'Enquesta Geològica dels Estats Units.
On és el gas natural ric en heli?
La majoria de gas natural no processat conté com a mínim traces d’heli. Molt pocs camps de gas natural contenen prou per justificar un procés de recuperació d’heli. Una font de gas natural ha de contenir almenys un 0,3% d’heli per considerar-la com a font potencial d’heli.
L’any 2010, tot el gas natural processat per a l’heli als Estats Units provenia de camps de Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah i Wyoming, tal com es mostra al mapa adjunt. El camp Hugoton a Oklahoma, Kansas i Texas; el Camp Panoma de Kansas; el camp Keyes a Oklahoma; la major part de la producció d'heli als Estats Units són els Panhandle West i Cliffside Fields de Texas i el Riley Ridge Field de Wyoming.
Durant el 2010, els Estats Units van produir 128 milions de metres cúbics d’heli. D’aquesta quantitat, 53 milions de metres cúbics d’heli van ser extrets del gas natural, i 75 milions de metres cúbics van ser retirats de la Reserva Nacional d’Heli. Altres països amb quantitats de producció conegudes van ser: Algèria (18 mcm), Qatar (13 mcm), Rússia (6 mcm) i Polònia (3 mcm). El Canadà i la Xina van produir petites quantitats no declarades d’heli.
Heli en màquines MRI: L’ús número 1 de l’heli és el refredament dels imants de les màquines d’Imm RM (ressonància magnètica) que s’utilitzen per diagnosticar malalties i lesions a les instal·lacions mèdiques.
Un nou ús per a l’heli: El primer disc dur obert amb helium es va produir el 2013. L'heli permet al disc utilitzar menys energia, produir menys calor, fer menys soroll, ocupar menys espai, contenir més dades i produir menys vibracions que un disc dur estàndard. Aprèn més.
Usos de l’heli
L'heli té diverses propietats que la fan excepcionalment adequada per a determinats usos. En alguns d'aquests usos, l'heli és el millor gas possible per utilitzar, i en uns pocs no hi ha un substitut adequat per a l'heli. A continuació es descriuen diversos usos d’heli juntament amb les propietats que el fan adequat per a l’ús.
Imatges per ressonància magnètica
L’ús número 1 de l’heli està en les màquines d’imatge per ressonància magnètica que s’utilitzen a les instal·lacions mèdiques per avaluar les lesions i diagnosticar la malaltia. Aquestes màquines utilitzen un camp magnètic produït per un imant superconductor. Aquests imants generen una enorme quantitat de calor. L’heli líquid és la substància refrigerant escollida per regular la temperatura d’aquests imants. Com que l’heli té la segona calor específica més baixa de qualsevol gas i el punt d’ebullició / fusió més baix de qualsevol element, no es preveu cap substitució per l’heli en aquest ús tan important.
Gas Ascensor
L’heli té el segon pes atòmic més baix de qualsevol element. Només l’hidrogen té un pes atòmic inferior. Com a gas més lleuger que l’aire, l’heli s’ha utilitzat com a “gas elevador” per a aeronaus i globus aerostàtics. Escletxes, dirigibles, zeppelins, globus antiaeri, globus meteorològics i altres embarcacions més lleugeres que l'aire han fet servir heli com a gas d'aixecament. És molt més segur que l’hidrogen perquè no és inflamable. Aquesta va ser la categoria més important d’ús d’heli fins a la fi de la Segona Guerra Mundial. Actualment s’utilitzen quantitats molt menors d’heli com a gas elevador.
Gas de purga: La NASA i el Departament de Defensa utilitzen l’heli per purgar l’oxigen líquid i l’hidrogen líquid dels dipòsits de combustible i els sistemes d’entrega de combustible dels motors coets. L’heli està inert i té una temperatura de congelació tan baixa que continua sent un gas a través del procés de purificació. Fins i tot es va utilitzar un flux d’heli en aquests sistemes durant les emergències per apagar incendis. Imatge de la NASA.
Barreges per respirar l’heli: L’heli s’utilitza per preparar barreges de gasos respiratoris per a submarinisme en aigües profundes. L’heli està inert i presenta una baixa viscositat a la pressió que permet una respiració més fàcil. Imatge de NOAA.
Purg de gas
L’heli té el punt de fusió i ebullició més baix de qualsevol gas. Es fon i bull a temperatures properes al zero absolut. Com que continua sent un gas a temperatures molt baixes, es pot utilitzar com a gas de purga per als dipòsits de combustible i els sistemes de subministrament de combustible que s’omplen de líquids molt freds com l’hidrogen líquid i l’oxigen líquid. Com que és inert i té una temperatura de congelació baixa, pot desplaçar aquests combustibles de forma segura sense congelar. La NASA i el Departament de Defensa utilitzen grans quantitats d’heli per purgar sistemes de propulsió de coets.
Fabricació d’Atmosfera Controlada
L’heli és un gas inert. L’únic gas amb una menor reactivitat és el neó. Aquesta baixa reactivitat converteix l’heli en un gas valuós per utilitzar en processos de fabricació i reparació quan es necessita una atmosfera inerta. L’heli també té la segona densitat més baixa de qualsevol gas juntament amb una conductivitat tèrmica molt elevada. Aquestes propietats del gas d’heli la converteixen en l’atmosfera escollida per a molts processos metal·lúrgics, creixent cristalls perfectes en vapors químics, fabricació de fibres òptiques i altres usos.
Detecció de fuites
L’heli té una viscositat molt baixa, un coeficient de difusió elevat i l’àtom més petit de qualsevol element. Aquestes característiques fan que l’heli sigui molt difícil de contenir. Si un sistema té una fuga, l’heli s’escaparà. Per tant, el gas d'heli s'utilitza per provar fuites, sistemes de combustible i altres contencions per a fuites.
Mescles respiratòries
L’heli i altres gasos inerts s’utilitzen per preparar barreges respiratòries per a submarinisme en aigües profundes i tractaments mèdics. L’heli s’utilitza aquí perquè és inert, té una viscositat molt baixa i és més fàcil respirar a pressió que qualsevol altre gas.
Gas de soldadura
L’heli s’utilitza com a atmosfera protectora quan es solda. Una atmosfera de gas inert protegeix els metalls calents de l'oxidació i d'altres reaccions que es puguin produir ràpidament a temperatures elevades.
Usos de l’heli: Quantitats relatives d’heli consumides per diversos usos als Estats Units durant el 2011. Gràfic mitjançant dades de USGS.
Heli: un recurs no renovable
L’heli és un gas que només es troba on es produeix una coincidència de situacions poc probables. Tot i que es produeix contínuament per la desintegració de minerals radioactius a l'escorça terrestre, la seva taxa de producció i acumulació natural és tan lenta que s'ha de considerar un recurs no renovable.
Glutis d’heli i escassetat d’heli
El 1925 els Estats Units van establir la Reserva Nacional d’Helium per servir com a subministrament estratègic d’heli per a ús en dirigibles i amb altres finalitats de defensa. Aleshores, el país estava produint molt més heli del que es consumia. Després de la Segona Guerra Mundial, la quantitat d’heli utilitzada com a gas elevador va disminuir, però va augmentar la demanda d’heli com a purga de gas a l’alimentació de motors coets i com a refrigerant en instal·lacions d’armes nuclears. Tot i així, s’estava produint més heli que consumit.
El 1995, el Congrés va decidir que la Reserva Nacional d’Heli no era essencial i va iniciar un programa per vendre l’heli com a part de la Llei de privatització de l’heli de 1996. Durant gairebé dues dècades, el Congrés va permetre vendre l’heli amb un descompte enorme al lliure mercat. preus. Fins a la meitat de la demanda mundial d’heli s’estava cobrant a través de les vendes de la Reserva Nacional d’Heli. En alguns anys es va exportar més heli fora dels Estats Units a altres països del que es va consumir nacionalment. Els que van comprar heli al govern van obtenir un tracte fantàstic, i els que van comprar heli al mercat lliure van pagar un preu molt més alt.
L’abocament de les existències de la Reserva Nacional d’Heli al mercat va disminuir el preu de l’heli tant que s’estava utilitzant com a substitut barat de l’argó i altres gasos amb una oferta molt menys limitada.
Com que la producció comercial d’heli no es va recompensar ni es va aprofitar gaire, el mercat va ser subcontractat quan les vendes de la Reserva Nacional d’Heli van ser substituïdes per un sistema de subhastes el 2014. A la primera subhasta, dos licitadors van comprar tota l’assignació anual de 93 milions de peus cúbics d’heli a més. del doble del preu de mercat dels anys anteriors. Després de la subhasta, es van vendre altres mil milions de peus cúbics als mateixos dos licitadors.
Des de la primera subhasta, el preu de l’heli va continuar augmentant perquè la producció de nou heli baixa del consum. L’augment de preus ha provocat la inversió en noves plantes de processament de l’heli. Tot i això, l’heli només es pot produir a partir de camps de gas natural amb sal o anhidrat com a roca trampa. Aquests només es produeixen en algunes parts del món.
En virtut de la legislació vigent, la Reserva Nacional d’Heli s’esgotarà el 2021. Tant de bo la inversió creixent en plantes de recuperació d’heli sigui adequada per satisfer les necessitats dels consumidors d’heli quan desaparegui aquesta important font d’heli.