Lumea se confruntă cu o criză de heliu: O viziune globală asupra unei resurse esențiale și fragile

Viețile noastre depind în mod surprinzător de un gaz extrem de ușor și inactiv precum heliul, însă aprovizionarea cu acesta este alarmant de fragilă. Nancy Washton își amintește sentimentul de neliniște pe care l-a avut atunci când a aflat că livrarea de heliu nu va mai ajunge. La începutul anului 2022, ea și echipa ei de chimiști de la Laboratorul Național Pacific Northwest din Statele Unite au fost informați brusc de către furnizorul lor că nu vor primii livrarea obișnuită a acestui gaz, pe care îl folosesc în diverse experimente. Deficitul însemna că nu era suficient pentru toată lumea, iar laboratorul trebuia să se descurce cu mai puțin. În primele săptămâni ale acelui an, aprovizionarea laboratorului a scăzut considerabil sub pragul de 2.500 de litri pe care îl primea în mod normal. Până în aprilie, adică doar câteva luni mai târziu, primea mai puțin de jumătate din heliul necesar.

Cu o mică flotă de instrumente care necesită alimentări regulate cu heliu lichid, laboratorul nu a avut de ales decât să sacrifice cele mai „lacome” dintre aceste instrumente pentru a continua funcționarea celor mai importante. Instrumentul preferat al lui Washton era un spectrometru de rezonanță magnetică nucleară – un turn uriaș, capabil să privească în structura moleculară a atomilor. Astfel de măsurători pot contribui la dezvoltarea de noi baterii și sisteme de stocare a energiei, de exemplu. Spectrometrul era singurul de acest fel din America de Nord și, la mai puțin de 12 luni de la instalare, oferea rezultate care aveau potențialul de a schimba jocul. Când a fost activat cu mostre de oxid de magneziu, de exemplu, a arătat că mineralele sunt capabile să extragă carbon din atmosferă. Această „mineralizare a carbonului” a fost cercetată de mult timp ca o modalitate de a combate emisiile de gaze cu efect de seră, dar rezultatele au arătat cât de utile pot fi aceste minerale.

„Nu existase nicio dovadă clară a formării de carbonați pe aceste tipuri particulare de oxizi de magneziu înainte”, spune Washton. „Pur și simplu nu puteam să cred datele. Faptul că am reușit să obținem aceste date și frumusețea poveștii pe care o spun, au fost uimitoare”, adaugă Washton.

Însă apoi tot acel efort a trebuit să se oprească brusc. Consumul de heliu al spectrometrului a creat probleme. Într-un proces pe care Washton l-a descris mai târziu ca fiind „traumatizant”, instrumentul a fost dezactivat, iar experimentele suspendate. Acesta a rămas inactiv și inutilizabil timp de câteva luni, până când a fost asigurată mai multă heliu. Astăzi, dispozitivul a fost repus în funcțiune – laboratorul are heliul de care are nevoie, cel puțin pentru moment.

Acest episod evidențiază cât de vulnerabile sunt aprovizionările cu heliu și de ce există acum o cursă disperată la nivel global pentru a găsi modalități de a conserva și recicla acest gaz esențial. Deficitele din 2022 nu au afectat doar cercetătorii. Mulți dintre noi nu realizăm acest aspect, dar multe dintre produsele și procesele cu care ne întâlnim zilnic depind de heliu. De exemplu, spitalele sunt cei mai mari consumatori de heliu din lume, reprezentând aproximativ 32% din piața globală. Gazul este folosit pentru a răci magneții în echipamente de diagnostic vital, cum ar fi scanerele de rezonanță magnetică (MRI).

Heliul este inodor, extrem de ușor și, spre deosebire de un alt element foarte ușor folosit în trecut pentru dirijabile, hidrogenul, nu va lua foc niciodată. Când este răcit, se condensează într-un lichid la o temperatură uluitor de scăzută de aproximativ 4.2 Kelvin, sau -269C. În plus, în condiții atmosferice normale, heliul nu va îngheța nici chiar la temperaturi apropiate de zero absolut, adică 0 Kelvin (-273C). Aceste proprietăți îl fac incredibil de util. „Heliul este un element magic”, spune Sophia Hayes, profesor de chimie la Universitatea Washington din St. Louis. Lichidul de heliu capătă proprietăți bizare atunci când este răcit aproape de zero absolut, transformându-se într-un superfluid care curge fără fricțiune. Dacă amesteci un superfluid de heliu, lichidul din interior ar continua să se rotească teoretic la nesfârșit. Superfluidul de heliu a devenit esențial pentru supraconductorii de mare amploare, cum ar fi cei folosiți în experimentul Large Hadron Collider de la CERN, la granița dintre Elveția și Franța.

Însă, încă din 2006, heliul a fost frecvent în lipsă. Cel mai recent deficit s-a înregistrat în ianuarie 2022, înainte să se mai tempereze în anul următor. Totuși, rezervele de heliu au rămas fragile, cu producătorii care se străduiesc să țină pasul cu cererea. Această cerere este de așteptat să crească și mai mult - unii analiști prezicând că se va dubla până în 2035, datorită rolului crucial al heliului în fabricarea semiconductorilor și a bateriilor pentru vehicule electrice, precum și în aplicațiile aerospațiale. Există doar două surse de heliu: reacțiile nucleare de fuziune energetică din interiorul stelelor, inclusiv Soarele nostru, și descompunerea lentă a elementelor radioactive din crustă. Din moment ce nu putem produce artificial heliu cu tehnologia actuală, acest lucru înseamnă că este practic o resursă finită. În schimb, heliul este de obicei extras alături de gazul natural prin forarea unor puțuri adânci în pământ, dar doar câteva companii la nivel mondial fac asta.

Heliul este, de asemenea, un element extrem de greu de gestionat. Extracția și arderea combustibililor fosili au cauzat acumularea de cantități crescânde de heliu în atmosferă în ultimele decenii, epuizând resursa blocată altfel în interiorul planetei noastre. Dar heliul este atât de ușor încât se scurge încet din atmosfera Pământului și se îndreaptă către spațiu. În starea sa de superfluid, are tendința de a găsi căi de ieșire chiar și prin cele mai mici fisuri și găuri. Poate chiar să „urce” pe pereți în această stare de superfluid. Acest lucru face dificilă manipularea și stocarea – poate fi ușor pierdut după utilizare. Toate acestea fac ca lanțul de aprovizionare cu heliu să fie fragil, ducând la patru deficite mondiale de heliu în ultimele două decenii.

Cele mai recente deficite severe din 2022, care au întrerupt unele din cercetările lui Washton, au avut loc după o serie de incendii la o fabrică majoră de procesare a gazului din Amur, Siberia. Războiul din Ucraina a agravat problema, sufocând și mai mult aprovizionările tocmai când o uzină de heliu din Qatar a fost oprită pentru întreținere planificată. Între timp, unitatea de îmbogățire cu heliu brut de la Rezerva Națională de Heliu a SUA a fost închisă în timpul verii anului 2021 și din nou, timp de patru luni, la sfârșitul lunii ianuarie 2022. Închiderea din SUA a redus cu aproximativ 10% capacitatea de producție globală de heliu din lanțul de aprovizionare. Aceste incidente au condus la un deficit brusc și au subliniat cât de vulnerabile pot fi rezervele mondiale de heliu.

Până în 2023, prețul industrial al heliului aproape s-a dublat față de ce era cu cinci ani înainte, atingând un maxim istoric. Deși producția de heliu a crescut ulterior, lumea se confruntă din nou cu o posibilă întrerupere, lăsând prețurile de pe piață volatile. În septembrie 2024, UE a impus noi sancțiuni asupra Rusiei din cauza războiului său din Ucraina, inclusiv interzicerea importurilor de heliu. Deși Rusia reprezintă doar 1% din importurile de heliu ale UE, această decizie a marcat o înăsprire suplimentară a aprovizionării. În plus, vânzarea celei mai mari rezerve de heliu din lume – Rezerva de Heliu a SUA – a declanșat și mai multă incertitudine. În ultimele decenii, SUA a furnizat aproximativ o zecime din rezervele mondiale de heliu dintr-un stoc subteran federal stabilit cu un secol în urmă lângă Amarillo, Texas. În iunie 2024, Biroul de Gestionare a Pământului, care a administrat rezerva de heliu a SUA, a vândut ultima suflare de heliu federal furnizorului german de gaz Messer.

Cu toate acestea, analiza recentă sugerează că această resursă naturală este probabil să devină tot mai importantă geopolitic în anii următori, pe măsură ce cererea și competiția pentru gaz cresc. SUA acoperă aproximativ 46% din rezervele globale de heliu, urmate de Qatar (38%) și apoi Algeria (5%). Dacă aprovizionările din SUA ar fi din nou perturbate, impactul ar fi resimțit în întreaga lume.

Ani de aprovizionare precară cu heliu și fluctuații de preț, totuși, au forțat organismele academice, comerciale și clinice să exploreze moduri mai durabile de consum de heliu. În centrul atenției sunt acum scanerele RMN care consumă cantități mari de heliu. Un aparat standard RMN necesită puțin sub 2.000 de litri de heliu lichid pentru a răci magneții superconductori. Fiecare aparat necesită ocazional reîncărcări și, fără heliul răcitor, magneții săi s-ar încălzi, evaporând rezevorul de heliu, într-un proces numit „quenching”. Este un eveniment rar, dar grav: heliul este pierdut și este necesar încă câteva mii de litri din acest lichid pentru revenirea echipamentului în ordine de funcționare. Dacă un astfel de incident cauzează daune mai grave, atunci întregul aparat RMN s-ar putea să necesite înlocuire la mare cost. Acum, o nouă generație de aparate RMN care necesită mult mai puțin heliu sunt deja disponibile. Multe dintre aceste unități de consum redus de heliu au nevoie de doar un litru de heliu pentru a funcționa, sigilându-l într-un sistem închis.

Cu toate acestea, există limite. Aceste scanere cu consum redus de heliu sunt deosebit de costisitoare și va dura mulți ani până când cele peste 35.000 de aparate RMN care folosesc supraconductori la nivel mondial vor fi înlocuite. De asemenea, noile scanere sunt doar capabile să producă câmpuri magnetice de aproximativ 1,5 Tesla – aproape jumătate din cât pot realiza predecesorii lor mai performanți. „Scanerele cu câmp mare au potențialul de a scana mai detaliat și/sau mai rapid decât cele cu câmp mic”, spune Sharon Giles, director al operațiunilor de imagistică clinică și de cercetare la King's College London. Folosirea acestor scanere cu consum redus de heliu este limitată, deși Giles spune că sunt capabile să efectueze imagini de rutină într-un cadru de laborator.

La nivel mai larg, cercetătorii încep să își asigure propriile rezerve prin reciclare. Sistemele de recuperare a heliului pot recapta heliul evaporat care altfel s-ar pierde. „Ne va permite sa recuperăm aproximativ 90% din heliul pe care îl achiziționăm în fiecare an”, spune Nicholas Fitzkee, director al facility de spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară de la Universitatea de Stat din Mississippi, care se află în proces de instalare a unui sistem de recuperare. „Am făcut calculele când am redactat propunerea și costul total al sistemului a fost de puțin peste 300.000 de dolari, iar sistemul ar trebui să se amortizeze în decurs de șase ani.”

Dar instalarea tehnologiei de recuperare a heliului – aranjamente complicate de țevi, tuburi și conducte care trebuie să fie integrate în aparatele unei facilități – necesită timp și este complexă. Aceste sisteme pot eșua, pot avea scurgeri și, chiar și când sunt instalate corect, Washton este îngrijorată că unii oameni s-ar putea să nu aprecieze în totalitate beneficiile lor. „Să fac un argument, 'Hei, am nevoie de 600.000 de dolari pentru câteva unități de recuperare a heliului', oamenii sunt precum, 'Ei bine, ce va face asta pentru noi? E ca și cum ai instala noi conducte', spune ea, explicând că astfel de lucrări nu au factorul 'strălucire' care ajută la justificarea unor alte investiții științifice.

Totuși, s-ar putea să existe unele semne de ușurare la orizont. Qatar este pe cale să deschidă o nouă uzină de heliu până în 2027, în timp ce alte companii au început să caute câmpuri subterane neexploatate anterior. În 2016, cea mai mare rezervă de heliu din lume a fost descoperită în Tanzania. Este programată să înceapă producția în 2025. Aceasta a fost, de fapt, prima rezerve de gaze de heliu descoperită în mod deliberat, iar lansarea operațiunilor acolo va marca prima dată când heliul a fost extras la scară largă, mai degrabă decât ca produs secundar al extracției poluante de gaz natural. Rezerve majore de heliu au fost, de asemenea, descoperite în Baza Bohai a Chinei.

Christopher Ballentine, președintele geochimiei de la Departamentul de Științe ale Pământului al Universității Oxford, a contribuit la cercetarea științifică care a ajutat în cele din urmă să localizeze depozitul de heliu din Tanzania. Însă el avertizează împotriva entuziasmului exagerat. „Provocarea de a găsi depozite semnificative de heliu pentru a satisface cererea globală în creștere necesită finanțe semnificative și un timp îndelungat de pregătire”, spune el.

Aprovizionările volatile din ultimii ani ne-au reamintit tuturor cât de epuizabilă este această resursă prețioasă – și cât de repede poate fi întreruptă oferta sa. Washton subliniază riscurile: „Imaginați-vă dacă pur și simplu nu este suficient heliu și bunica ta nu poate face un RMN pentru că supraconductorul său este defect. Este grav și trebuie să ne ocupăm de această problemă”.