La prossima volta che comprerai dei palloncini per la tua grande festa, ricorda che il gas elio contenuto in quei palloncini è destinato alle stelle. L'elio è così leggero che sfugge facilmente alla gravità terrestre e alla fine tutto l'elio si farà strada nello spazio. Come i combustibili fossili, l'elio è una risorsa limitata.
La carenza di elio è diventata un problema acuto per molti ricercatori. Dall'inizio del 2022, una serie di fattori hanno messo sotto pressione il mercato globale dell'elio, tra cui la potenziale vendita delle riserve pubbliche di elio e delle infrastrutture di produzione degli Stati Uniti, le sanzioni contro la Russia e una serie di guasti agli impianti di elio.
Negli ultimi dieci anni si sono verificate quattro carenze di elio e queste interruzioni hanno colpito diverse industrie ad alta tecnologia. Oltre a gonfiare i palloncini, l'elio svolge un ruolo importante nella saldatura di alcuni metalli e nella produzione di semiconduttori.
Anche la ricerca sull'imaging medico e l'analisi chimica utilizza l'elio. L'elio liquido raffreddato a –450°F (–268°C) mantiene freddi i magneti superconduttori in strumenti come la risonanza magnetica, o MRI, e i sistemi di risonanza magnetica nucleare, o NMR.
La carenza di elio mette sotto pressione molte industrie e, quando si verifica una carenza, i costi dell’elio possono aumentare drasticamente. Anche i consumatori possono esserne colpiti:i prezzi dei palloncini gonfiati per le feste e dei kit di bombole di elio sono aumentati notevolmente.
Sia gli strumenti MRI che NMR richiedono campi magnetici estremamente forti per funzionare. Il modo più efficiente per generare questi campi utilizza il filo superconduttore. Una corrente elettrica superconduttiva genera un campo magnetico e, una volta avviate, queste correnti possono continuare per decenni senza ulteriore input elettrico.
Ma c'è un problema. Senza elio liquido, i fili si riscaldano rapidamente. Con il passare del tempo, l'elio utilizzato per raffreddare i magneti evapora. La superconduttività scompare e il campo magnetico si dissipa.
All'inizio di quest'anno, LK-99, un potenziale nuovo superconduttore a temperatura ambiente, ha fatto notizia in tutto il mondo. Un materiale del genere, se trovato, potrebbe eliminare la necessità di elio nei sistemi MRI e NMR.
Finora, LK-99 non ha prodotto una svolta nel campo della superconduttività, anche se gli scienziati sono ancora alla ricerca di nuovi materiali superconduttori.
Fino a quando gli scienziati non troveranno un superconduttore funzionale a temperatura ambiente, le strutture MRI e NMR avranno bisogno di elio. Un'università o un ospedale di piccole e medie dimensioni può spendere 20.000 dollari all'anno per l'elio liquido, poiché ogni pochi mesi le scorte di elio liquido devono essere rifornite.
Le strutture più grandi ne richiedono di più e negli ultimi due o tre anni il prezzo dell’elio è raddoppiato. Di conseguenza, alcune istituzioni sono state costrette a togliere energia ai propri strumenti. Questo processo interrompe il campo magnetico, arrestando di fatto l'attività dello strumento finché la struttura non sarà in grado di acquistare nuovamente l'elio.
Un approccio per affrontare la carenza di elio prevede la ricerca di ulteriori fonti di elio. L'elio viene normalmente ottenuto come sottoprodotto della trivellazione per il gas naturale, poiché l'elio si raccoglie nel sottosuolo in sacche contenenti metano e altri idrocarburi.
Il metano è un gas serra e la combustione del gas naturale rilascia anidride carbonica nell’atmosfera. Il metano e l'anidride carbonica nell'atmosfera contribuiscono al cambiamento climatico.
Ma in luoghi sotterranei potrebbero esistere sacche di elio che non sono mescolate con il gas naturale. Alcuni ricercatori in Africa hanno identificato quello che potrebbe essere un importante deposito di elio nella regione di Rukwa in Tanzania.
Almeno due società stanno cercando attivamente di individuare queste sacche, che hanno origine da un'attività vulcanica unica nella zona. La perforazione in questi siti potrebbe rappresentare un'alternativa più rispettosa del clima, sebbene qualsiasi forma di perforazione abbia un impatto ambientale locale.
All’inizio di dicembre 2023, i livelli di elio rilevati durante la perforazione di queste sacche sembrano promettenti. L'esplorazione più recente rivela livelli di elio compresi tra il 2% e il 3%, più di 1.000 volte i normali livelli atmosferici. Questo è alla pari con altri siti di perforazione che producono elio.
Due società sono attualmente alla ricerca di elio in Africa ed entrambe intendono continuare a cercare livelli di elio più elevati. Tuttavia, valutazioni indipendenti del settore stimano che i nuovi impianti di elio potrebbero non essere operativi prima del 2025 o successivamente.
Anche così, questi sforzi non risolvono il problema più grande:la necessità di una fonte di elio rinnovabile.
Fino a quando gli scienziati non avranno superconduttori affidabili a temperatura ambiente o non troveranno una fornitura illimitata di elio, la conservazione dell’elio disponibile è la migliore strada da percorrere. Fortunatamente, sta diventando più facile da fare.
I ricercatori della Iowa State University hanno iniziato a riciclare l’elio negli anni ’60. Da allora, questa tecnologia è diventata più economica e sia la National Science Foundation che il National Institutes of Health hanno finanziato gli sforzi per installare apparecchiature per il recupero dell'elio negli ambienti di ricerca accademica.
Questi sistemi stanno diventando sempre più comuni, anche nelle strutture NMR più piccole. E gli scienziati, compresi i ricercatori del mio laboratorio, si aiutano a vicenda condividendo le loro esperienze nell'installazione di queste apparecchiature.
I sistemi di recupero dell’elio coinvolgono tre componenti principali. Innanzitutto esiste un sistema che trasporta l'elio evaporato dai magneti superconduttori. Questo componente monitora il tasso di evaporazione e garantisce un flusso costante attraverso il sistema.
In secondo luogo, esiste un sistema di raccolta. Per le strutture di grandi dimensioni si tratta di una borsa ampia e flessibile. La sacca si espande raccogliendo l'elio evaporato, immagazzinandolo temporaneamente. Questa borsa ha le dimensioni di una piccola automobile e, dove lo spazio è un problema, le strutture più piccole possono utilizzare serbatoi di elio per lo stoccaggio.
Terzo, esiste un sistema che riliquefa l’elio gassoso. Questo è il componente più costoso e utilizza l'energia elettrica per raffreddare l'elio. Una volta liquefatto, il personale della struttura trasferisce nuovamente l'elio ai magneti.
Sebbene la carenza di elio abbia portato a sfide significative, molti scienziati sono ottimisti riguardo al futuro. I ricercatori continuano a cercare superconduttori a temperatura ambiente. Nuovi impianti di elio in Tanzania potrebbero aumentare l’offerta. Inoltre, un accesso più diffuso alle apparecchiature per il recupero dell'elio sta consentendo agli scienziati di conservare questa preziosa risorsa.
Fornito da The Conversation
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