В следующий раз, когда вы будете покупать шарики для вашей большой вечеринки, помните, что гелий в этих шариках предназначен для звезд. Гелий настолько легкий, что легко улетучивается из земной гравитации, и в конечном итоге весь гелий окажется в космосе. Как и ископаемое топливо, гелий — ограниченный ресурс.
Дефицит гелия стал острой проблемой для многих исследователей. С начала 2022 года ряд факторов оказал давление на мировой рынок гелия, включая потенциальную продажу государственных запасов гелия и производственной инфраструктуры США, санкции против России и серию сбоев на заводах по производству гелия.
За последнее десятилетие произошло четыре кризиса с дефицитом гелия, и эти сбои затрагивают несколько высокотехнологичных отраслей. Помимо надувания шаров, гелий используется в сварке определенных металлов и при производстве полупроводников.
Гелий также используется в медицинской визуализации и химическом анализе. Жидкий гелий, охлажденный до минус 450 градусов по Фаренгейту (минус 268 градусов по Цельсию), охлаждает сверхпроводящие магниты в таких приборах, как магнитно-резонансная томография (МРТ) и ядерно-магнитный резонанс (ЯМР).
Дефицит гелия оказывает давление на многие отрасли, и когда возникает дефицит, стоимость гелия может резко возрасти. Даже потребители могут ощутить это — цены на надутые вечерние шары и комплекты с гелием значительно увеличились.
Гелий в исследованиях — холодная загадка
Инструменты МРТ и ЯМР требуют очень сильных магнитных полей для работы. Самый эффективный способ создания таких полей — использование сверхпроводящих проводов. Сверхпроводящий электрический ток генерирует магнитное поле, и, как только он запущен, эти токи могут продолжаться десятилетиями без дополнительного ввода электричества.
Но есть одно "но". Без жидкого гелия провода быстро нагреваются. Со временем используемый для охлаждения магнитов гелий испаряется. Сверхпроводимость исчезает, и магнитное поле рассеивается.
В начале этого года LK-99, потенциальный новый сверхпроводник комнатной температуры, сделал головокружительные заголовки по всему миру. Такой материал, если он будет найден, мог бы устранить необходимость в гелии для систем МРТ и ЯМР.
Пока LK-99 не привел к прорыву в сверхпроводимости, хотя ученые все еще ищут новые сверхпроводящие материалы.
Пока ученые не найдут функциональный сверхпроводник комнатной температуры, учреждениям МРТ и ЯМР нужен гелий. Небольшому или среднему университету или больнице может потребоваться около 20 000 долларов США в год на жидкий гелий, поскольку каждые несколько месяцев их запасы гелия нужно пополнять.
Большие учреждения нуждаются в большем количестве, и за последние два-три года цены на гелий удвоились. Некоторые учреждения были вынуждены деэнергизировать свои приборы в результате. Этот процесс отключает магнитное поле, эффективно останавливая деятельность прибора, пока учреждение не сможет снова купить гелий.
Новый гелий на горизонте
Один из подходов к решению проблемы с дефицитом гелия заключается в поиске дополнительных источников гелия. Гелий обычно добывается как побочный продукт бурения природного газа, поскольку гелий скапливается под землей в карманах, содержащих метан и другие углеводороды.
Метан является парниковым газом, а сжигание природного газа приводит к выделению углекислого газа в атмосферу. Метан и углекислый газ в атмосфере способствуют изменению климата.
Однако карманы гелия, которые не смешаны с природным газом, могут существовать в подземных местах. Исследователи, работающие в Африке, обнаружили, что в регионе Руква в Танзании может находиться крупный запас гелия.
По крайней мере две компании активно пытаются найти эти карманы, которые образуются в результате уникальной вулканической деятельности в этом регионе. Бурение на этих месторождениях может быть более экологичной альтернативой, хотя любая форма бурения имеет местные экологические последствия.
На начало декабря 2023 года уровни гелия, найденные при бурении этих карманов, кажутся многообещающими. Последние исследования показывают уровни гелия не менее 2-3%, что в тысячу раз превышает нормальные атмосферные уровни. Это соответствует другим месторождениям, производящим гелий.
Две компании в настоящее время ищут гелий в Африке, и обе планируют продолжить поиски более высоких уровней гелия. Однако независимые отраслевые оценки предполагают, что новые объекты по производству гелия могут быть запущены не ранее 2025 года или позднее.
Тем не менее, эти усилия не решают большую проблему — потребность в возобновляемом источнике гелия.
Повторное использование существующего гелия
Пока ученые не получат надежные сверхпроводники комнатной температуры или не найдут неограниченный запас гелия, наилучшим путем вперед остается сохранение доступного гелия. К счастью, это становится все легче делать.
Исследователи из Университета штата Айова начали перерабатывать свой гелий в 1960-х годах. С тех пор эта технология стала дешевле, и как Национальный научный фонд США, так и Национальные институты здравоохранения США финансировали усилия по установке оборудования для восстановления гелия в академических исследовательских учреждениях.
Эти системы становятся все более распространенными, даже в меньших учреждениях ЯМР. И ученые, включая исследователей в моей лаборатории, помогают друг другу, делясь своим опытом установки этого оборудования.
Системы восстановления гелия включают в себя три основных компонента. Во-первых, это система, которая транспортирует испаренный гелий от сверхпроводящих магнитов. Этот компонент контролирует скорость испарения и обеспечивает стабильный поток через систему.
Во-вторых, это система сбора. Для крупных учреждений это состоит из большого, гибкого мешка. Мешок расширяется по мере сбора испаренного гелия, временно храня его. Этот мешок размером с небольшой автомобиль, и там, где пространство является проблемой, меньшие учреждения могут использовать гелиевые баллоны для хранения.
В-третьих, это система, которая повторно ожижает газообразный гелий. Это самый дорогой компонент, который использует электрическую энергию для охлаждения гелия. Как только гелий ожидается, персонал учреждения переносит его обратно к магнитам.
Несмотря на то, что дефицит гелия привел к значительным трудностям, многие ученые оптимистично смотрят в будущее. Исследователи продолжают поиск сверхпроводников комнатной температуры. Новые объекты по производству гелия в Танзании могут увеличить предложение. И более широкий доступ к оборудованию для восстановления гелия позволяет ученым сохранять этот ценный ресурс.