Helium er afgørende for forskning, medicinsk udstyr, men det er ikke-fornybart og vanskeligt at genbruge

Næste gang du henter balloner til din store fest, så husk, at heliumgassen i disse balloner er bestemt til stjernerne. Helium er så let, at det let undslipper Jordens tyngdekraft, og alt helium vil til sidst finde vej ud i rummet. Ligesom fossile brændstoffer er helium en begrænset ressource.

Heliummangel er blevet et akut problem for mange forskere. Siden begyndelsen af ​​2022 har en række faktorer lagt pres på det globale heliummarked, herunder det potentielle salg af USA's offentligt ejede heliumreserver og produktionsinfrastruktur, sanktioner mod Rusland og en række nedbrud på heliumfabrikker.

Fire heliummangel er opstået i løbet af det seneste årti, og disse forstyrrelser påvirker flere højteknologiske industrier. Ud over at puste balloner op, spiller helium en rolle ved svejsning af visse metaller og ved fremstilling af halvledere.

Medicinsk billeddannelse og forskning i kemisk analyse bruger også helium. Flydende helium afkølet til –450°F (–268°C) holder de superledende magneter i instrumenter som magnetisk resonansbilleddannelse eller MRI og kernemagnetisk resonans eller NMR-systemer kølige.

Heliummangel lægger pres på mange industrier, og når en mangel rammer, kan heliumomkostningerne stige dramatisk. Selv forbrugere kan blive påvirket – priserne for oppustede festballoner og heliumtanksæt er steget betydeligt.

Helium i forskning:En kold gåde

Både MR- og NMR-instrumenter kræver ekstremt stærke magnetfelter for at fungere. Den mest effektive måde at generere disse felter på bruger superledende ledning. En superledende elektrisk strøm genererer et magnetfelt, og når de først er startet, kan disse strømme fortsætte i årtier uden yderligere elektrisk input.

Men der er en fangst. Uden flydende helium varmes ledningerne hurtigt op. Med tiden fordamper det helium, der bruges til at afkøle magneterne. Superledningsevnen forsvinder, og magnetfeltet forsvinder.

Tidligere i år skabte LK-99, en potentiel ny superleder ved stuetemperatur, overskrifter verden over. Et sådant materiale, hvis det findes, kunne eliminere behovet for helium i MRI- og NMR-systemer.

Indtil videre har LK-99 ikke produceret et gennembrud inden for superledning, selvom forskerne stadig er på jagt efter nye superledende materialer.

Indtil forskerne finder en funktionel superleder ved stuetemperatur, har MR- og NMR-faciliteter brug for helium. Et lille til mellemstort universitet eller hospital kan bruge 20.000 USD om året på flydende helium, da deres forsyninger med flydende helium skal genopfyldes hver par måneder.

Større anlæg har brug for mere, og i løbet af de seneste to-tre år er prisen på helium fordoblet. Nogle institutioner er blevet tvunget til at deaktivere deres instrumenter som følge heraf. Denne proces lukker magnetfeltet ned og stopper effektivt instrumentets aktivitet, indtil anlægget kan købe helium igen.

Nyt helium i horisonten

En tilgang til at løse heliummanglen involverer at søge yderligere heliumkilder. Helium opnås normalt som et biprodukt ved boring efter naturgas, da helium opsamles under jorden i lommer, der indeholder metan og andre kulbrinter.

Metan er en drivhusgas, og afbrænding af naturgas frigiver kuldioxid til atmosfæren. Metan og kuldioxid i atmosfæren bidrager til klimaændringer.

Men lommer af helium, der ikke er blandet med naturgas, kunne eksistere steder under jorden. Forskere, der søger i Afrika, har identificeret, hvad der kunne være et stort heliumlager i Tanzanias Rukwa-region.

Mindst to virksomheder forsøger aktivt at lokalisere disse lommer, som stammer fra enestående vulkansk aktivitet i området. Boring på disse steder kunne være et mere klimavenligt alternativ – selvom enhver form for boring har lokale miljøpåvirkninger.

I begyndelsen af ​​december 2023 virker heliumniveauerne fundet ved boring af disse lommer lovende. Den seneste udforskning afslører heliumniveauer på mindst 2% til 3%, mere end 1.000 gange normale atmosfæriske niveauer. Dette er på niveau med andre boresteder, der producerer helium.

To virksomheder søger i øjeblikket efter helium i Afrika, og begge planlægger at fortsætte med at søge efter højere heliumniveauer. Uafhængige industrivurderinger anslår dog, at nye heliumfaciliteter muligvis ikke kommer online før 2025 eller senere.

Alligevel løser disse bestræbelser ikke det større problem – behovet for en vedvarende heliumkilde.

Genbrug af eksisterende helium

Indtil forskerne har pålidelige superledere ved stuetemperatur eller finder en ubegrænset heliumforsyning, er bevaring af tilgængeligt helium den bedste vej frem. Heldigvis bliver dette lettere at gøre.

Forskere ved Iowa State University begyndte at genbruge deres helium i 1960'erne. Siden da er denne teknologi blevet billigere, og både U.S. National Science Foundation og U.S. National Institutes of Health har finansieret bestræbelser på at installere heliumgenvindingsudstyr i akademiske forskningsmiljøer.

Disse systemer bliver mere almindelige, selv i mindre NMR-anlæg. Og forskere, inklusive forskere i mit laboratorium, hjælper hinanden ved at dele deres erfaringer med at installere dette udstyr.

Heliumgenvindingssystemer involverer tre hovedkomponenter. For det første er der et system, der transporterer fordampet helium fra de superledende magneter. Denne komponent overvåger fordampningshastigheden og sikrer et konstant flow gennem systemet.

For det andet er der et indsamlingssystem. Til store faciliteter består denne af en stor, fleksibel taske. Posen udvider sig, når den opsamler det fordampede helium og opbevarer det midlertidigt. Denne taske er på størrelse med en lille bil, og hvor pladsen er et problem, kan mindre faciliteter bruge heliumtanke til opbevaring.

For det tredje er der et system, der genskaber det gasformige helium. Dette er den dyreste komponent, og den bruger elektrisk energi til at afkøle helium. Når det er gjort flydende, overfører facilitetspersonalet helium tilbage til magneterne.

Mens manglen på helium har ført til betydelige udfordringer, er mange forskere optimistiske med hensyn til fremtiden. Forskere fortsætter med at søge efter superledere ved stuetemperatur. Nye heliumfaciliteter i Tanzania kan øge udbuddet. Og mere udbredt adgang til heliumgenvindingsudstyr gør det muligt for videnskabsmænd at bevare denne værdifulde ressource.

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.