De volgende keer dat u ballonnen ophaalt voor uw grote feest, onthoud dan dat het heliumgas in die ballonnen bestemd is voor de sterren. Helium is zo licht dat het gemakkelijk aan de zwaartekracht van de aarde ontsnapt, en al het helium zal uiteindelijk in de ruimte terechtkomen. Net als fossiele brandstoffen is helium een ​​beperkte hulpbron.

Heliumtekorten zijn voor veel onderzoekers een acuut probleem geworden. Sinds begin 2022 hebben verschillende factoren de mondiale heliummarkt onder druk gezet, waaronder de mogelijke verkoop van de Amerikaanse heliumreserves en productie-infrastructuur, sancties tegen Rusland en een reeks storingen in heliumfabrieken.

De afgelopen tien jaar hebben zich vier heliumtekorten voorgedaan, en deze verstoringen hebben gevolgen voor diverse hightech-industrieën. Naast het opblazen van ballonnen speelt helium een ​​rol bij het lassen van bepaalde metalen en bij het maken van halfgeleiders.

Medische beeldvorming en onderzoek naar chemische analyse maken ook gebruik van helium. Vloeibaar helium, gekoeld tot –268°C, houdt de supergeleidende magneten in instrumenten zoals magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en nucleaire magnetische resonantie (NMR)-systemen koel.

Heliumtekorten zetten veel industrieën onder druk, en als er een tekort ontstaat, kunnen de heliumkosten dramatisch stijgen. Zelfs consumenten kunnen hierdoor worden getroffen; de prijzen voor opgeblazen feestballonnen en heliumtanksets zijn aanzienlijk gestegen.

Helium in onderzoek:een koud raadsel

Zowel MRI- als NMR-instrumenten vereisen extreem sterke magnetische velden om te kunnen werken. De meest efficiënte manier om die velden op te wekken is met supergeleidende draad. Een supergeleidende elektrische stroom genereert een magnetisch veld, en als deze eenmaal is gestart, kan deze stroom tientallen jaren voortduren zonder extra elektrische input.

Maar er is een addertje onder het gras. Zonder vloeibaar helium worden de draden snel warm. Na verloop van tijd verdampt het helium dat wordt gebruikt om de magneten te koelen. De supergeleiding verdwijnt en het magnetische veld verdwijnt.

Eerder dit jaar haalde LK-99, een potentiële nieuwe supergeleider op kamertemperatuur, wereldwijd de krantenkoppen. Als een dergelijk materiaal wordt gevonden, zou het de behoefte aan helium in MRI- en NMR-systemen kunnen elimineren.

Tot nu toe heeft LK-99 geen doorbraak in supergeleiding opgeleverd, hoewel wetenschappers nog steeds op zoek zijn naar nieuwe supergeleidende materialen.

Totdat wetenschappers een functionele supergeleider op kamertemperatuur vinden, hebben MRI- en NMR-faciliteiten helium nodig. Een kleine tot middelgrote universiteit of ziekenhuis kan 20.000 dollar per jaar uitgeven aan vloeibaar helium, omdat hun voorraden vloeibaar helium om de paar maanden moeten worden aangevuld.

Grotere faciliteiten hebben meer nodig, en de afgelopen twee tot drie jaar is de prijs van helium verdubbeld. Sommige instellingen zijn als gevolg daarvan gedwongen hun instrumenten spanningsloos te maken. Dit proces schakelt het magnetische veld uit, waardoor de activiteit van het instrument effectief wordt stopgezet totdat de faciliteit weer helium kan kopen.

Nieuw helium aan de horizon

Eén benadering om het tekort aan helium aan te pakken, is het zoeken naar aanvullende heliumbronnen. Helium wordt normaal gesproken verkregen als bijproduct van het boren naar aardgas, omdat helium zich ondergronds verzamelt in zakken die methaan en andere koolwaterstoffen bevatten.

Methaan is een broeikasgas en bij de verbranding van aardgas komt koolstofdioxide in de atmosfeer terecht. Methaan en kooldioxide in de atmosfeer dragen bij aan de klimaatverandering.

Maar er kunnen zich ondergrondse gebieden met helium bevinden die niet met aardgas zijn gemengd. Onderzoekers die in Afrika hebben gezocht, hebben ontdekt wat een grote voorraad helium zou kunnen zijn in de Rukwa-regio in Tanzania.

Minstens twee bedrijven proberen actief deze plekken te lokaliseren, die voortkomen uit unieke vulkanische activiteit in het gebied. Boren op deze locaties zou een klimaatvriendelijker alternatief kunnen zijn, hoewel elke vorm van boren lokale gevolgen voor het milieu heeft.

Vanaf begin december 2023 lijken de heliumniveaus die zijn gevonden bij het boren van deze zakken veelbelovend. De meest recente verkenning onthult heliumniveaus van minstens 2% tot 3%, meer dan 1000 keer het normale atmosferische niveau. Dit is vergelijkbaar met andere boorlocaties die helium produceren.

Twee bedrijven zijn momenteel op zoek naar helium in Afrika, en beide zijn van plan door te gaan met zoeken naar hogere heliumniveaus. Onafhankelijke beoordelingen van de sector schatten echter dat nieuwe heliumfaciliteiten mogelijk pas in 2025 of later in gebruik zullen worden genomen.

Toch lossen deze inspanningen het grotere probleem niet op:de behoefte aan een hernieuwbare heliumbron.

Bestaand helium hergebruiken

Totdat wetenschappers betrouwbare supergeleiders op kamertemperatuur hebben of een onbeperkte heliumvoorraad vinden, is het behoud van beschikbaar helium de beste route voorwaarts. Gelukkig wordt dit steeds gemakkelijker.

Onderzoekers van de Iowa State University begonnen in de jaren zestig met het recyclen van hun helium. Sindsdien is deze technologie goedkoper geworden, en zowel de Amerikaanse National Science Foundation als de Amerikaanse National Institutes of Health hebben inspanningen gefinancierd om apparatuur voor het terugwinnen van helium te installeren in academische onderzoeksomgevingen.

Deze systemen komen steeds vaker voor, zelfs in kleinere NMR-faciliteiten. En wetenschappers, waaronder onderzoekers in mijn laboratorium, helpen elkaar door hun ervaringen met het installeren van deze apparatuur te delen.

Heliumterugwinningssystemen omvatten drie hoofdcomponenten. Ten eerste is er een systeem dat verdampt helium uit de supergeleidende magneten transporteert. Dit onderdeel bewaakt de verdampingssnelheid en zorgt voor een constante stroom door het systeem.

Ten tweede is er een verzamelsysteem. Bij grote faciliteiten bestaat deze uit een grote, flexibele tas. De zak zet uit terwijl het verdampte helium wordt opgevangen en tijdelijk wordt opgeslagen. Deze tas heeft het formaat van een kleine auto, en waar ruimte een probleem is, kunnen kleinere faciliteiten heliumtanks gebruiken voor opslag.

Ten derde is er een systeem dat het gasvormige helium opnieuw vloeibaar maakt. Dit is het duurste onderdeel en gebruikt elektrische energie om het helium af te koelen. Eenmaal vloeibaar gemaakt, brengt het personeel van de faciliteit het helium terug naar de magneten.

Hoewel het heliumtekort tot grote uitdagingen heeft geleid, zijn veel wetenschappers optimistisch over de toekomst. Onderzoekers blijven zoeken naar supergeleiders op kamertemperatuur. Nieuwe heliumfaciliteiten in Tanzania zouden het aanbod kunnen vergroten. En dankzij de bredere toegang tot apparatuur voor het terugwinnen van helium kunnen wetenschappers deze waardevolle hulpbron behouden.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.