مراجعة تكنولوجيا معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نحتفل بالذكرى الـ 125 لتأسيسنا مع سلسلة على الانترنت الذي يستخلص دروسًا للمستقبل من تغطيتنا السابقة للتكنولوجيا.
في منشأة الرنين المغناطيسي النووي بجامعة ولاية ميسيسيبي، تتيح ثلاثة مغناطيسات قوية رؤية كيفية تكوين الذرات للروابط. ويستخدم الكيميائيون هناك هذه التكنولوجيا لتصميم بوليمرات جديدة ودراسة كيفية ارتباط البكتيريا بالأسطح. ولإتمام كل ذلك، يحتاجون إلى عنصر موجود بشكل شائع في محلات البقالة، ولكنه أيضًا نقص دائمًا: الهيليوم.
كل 12 أسبوعًا، تدفع الجامعة ما بين 5000 إلى 6000 دولار لتجديد الهيليوم السائل المطلوب لتبريد السلك فائق التوصيل الملفوف داخل المغناطيسات حتى -452 درجة فهرنهايت (-269 درجة مئوية).
يقول: “إنها أكبر نفقات لدينا على الإطلاق”. نيكولاس فيتزكي، مدير المنشأة. “السعر الذي يدفع رسوم الاستخدام لدينا هو شراء الهيليوم السائل، وقد تضاعف هذا المبلغ إلى حد كبير خلال العام الماضي أو نحو ذلك.”
الهيليوم ممتاز في توصيل الحرارة. وفي درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، حيث تتجمد معظم المواد الأخرى، يبقى الهيليوم في حالة سائلة. وهذا يجعلها مبردًا مثاليًا لأي شيء يجب الاحتفاظ به جداً بارد.
ولذلك فإن الهيليوم السائل ضروري لأي تقنية تستخدم مغناطيسات فائقة التوصيل، بما في ذلك ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وبعض أجهزة المسح الضوئي. مفاعلات الاندماج. يبرد الهيليوم أيضًا مسرعات الجسيماتوالحواسيب الكمومية، و كاشفات الأشعة تحت الحمراء على تلسكوب جيمس ويب الفضائي. كغاز، يقوم الهيليوم بإبعاد الحرارة عن السيليكون لمنع تلف مصانع أشباه الموصلات.
يقول ريتشارد كلارك، مستشار موارد الهليوم المقيم في المملكة المتحدة والذي شارك في تحرير المشروع: “إنه عنصر حاسم للمستقبل”. كتاب حول العنصر. في الواقع، يدرج الاتحاد الأوروبي الهيليوم في قائمته لعام 2023 المواد الخام الحرجة، ووضعتها كندا على أ المعادن الحرجة القائمة أيضا.
مرارًا وتكرارًا عبر تاريخ تطور التكنولوجيا، لعب الهيليوم دورًا حاسمًا مع بقاء المعروض منه محدودًا. كجزء من مراجعة تكنولوجيا معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا‘س سلسلة الذكرى 125، نظرنا إلى تغطيتنا لكيفية تحول الهيليوم إلى مورد مهم، وفكرنا في كيفية تغير الطلب في المستقبل.
اتخذت البلدان في بعض الأحيان تدابير صارمة لتأمين إمدادات ثابتة من الهيليوم. في لدينا عدد يونيو 1975، والتي ركزت على المواد الحيوية، كتب مهندس وستنجهاوس يدعى إتش. ريتشارد هاولاند عن برنامج أمريكي مثير للجدل قام بتخزين الهيليوم لعقود من الزمن.
حتى اليوم، ليس من السهل دائمًا الحصول على الهيليوم. ويعتمد المعروض العالمي في المقام الأول على ثلاث دول فقط ــ الولايات المتحدة، وقطر، والجزائر ــ وأقل من 15 شركة في مختلف أنحاء العالم.
ومع قلة المصادر، فإن سوق الهليوم حساس بشكل خاص للاضطرابات – إذا توقف المصنع عن العمل، أو اندلعت الحرب، فقد يكون العنصر فجأة غير متوفر. وكما أشار فيتزكي، فقد ارتفع سعر الهليوم بسرعة في السنوات الأخيرة، مما وضع المستشفيات والمجموعات البحثية في مأزق.
يقول سوق الهليوم العالمي شهد أربعة حالات نقص منذ عام 2006 فيل كورنبلوث، مستشار الهيليوم. وقد تضاعف سعر الهيليوم تقريبًا منذ عام 2020، من 7.57 دولارًا للمتر المكعب إلى مستوى تاريخي بلغ 14 دولارًا في عام 2023. وفقا لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.
وتقوم بعض مختبرات الأبحاث، بما في ذلك مختبر فيتزكي، الآن بتركيب أنظمة إعادة تدوير الهيليوم، كما يقوم مصنعو أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي بتصنيع الجيل التالي من الماسحات الضوئية التي تتطلب كمية أقل منه. لكن العديد من الصناعات ذات التقنية العالية في العالم – بما في ذلك الحوسبة والفضاء – من المرجح أن تحتاج إلى المزيد من الهيليوم في المستقبل.
يقول: “في نهاية المطاف، ما يحدث هو أن سعر الهيليوم أصبح أكثر تكلفة”. أنكيش سيدهانتاكار، طالب دكتوراه في البيئة الصناعية بجامعة واترلو في كندا. “من المحتمل أن عصر الهيليوم الرخيص قد انتهى.”
حاجة للتكنولوجيا الفائقة
الهيليوم هو العنصر الثاني في الجدول الدوري، والذي – كما تتذكر من صف الكيمياء في المدرسة الثانوية – يعني أنه يحتوي على بروتونين فقط (وبالتالي إلكترونين).
بفضل بنيتها البسيطة، تعد ذرات الهيليوم من أصغر وأخف الذرات، وتأتي في المرتبة الثانية بعد الهيدروجين. إنها مستقرة للغاية ولا تتفاعل بسهولة مع الأشياء الأخرى، مما يجعل من السهل دمجها في العمليات الصناعية أو الكيميائية.
أحد الاستخدامات الرئيسية للهيليوم السائل على مر السنين هو تبريد المغناطيسات الموجودة داخل ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي، والتي تساعد الأطباء على فحص الأعضاء والعضلات والأوعية الدموية. لكن تكلفة الهليوم ارتفعت كثيرا، وكان العرض متقلبا للغاية، حتى أن المستشفيات تتوق إلى خيارات أخرى.
الشركات المصنعة للتصوير بالرنين المغناطيسي بما في ذلك فيليبس و جنرال إلكتريك للرعاية الصحية تبيع الآن الماسحات الضوئية التي تتطلب هيليومًا أقل بكثير من الأجيال السابقة. من المفترض أن يساعد ذلك، على الرغم من أن الأمر سيستغرق سنوات لتطويره تقريبًا 50.000 جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي تم تثبيته بالفعل اليوم.
وتجد صناعات أخرى طرقًا للتغلب على الهيليوم أيضًا. وقد استبدل عمال اللحام الأرجون أو الهيدروجين في بعض الوظائف، في حين تحول الكيميائيون إلى الهيدروجين في الفصل اللوني للغاز، وهي عملية تسمح لهم بفصل المخاليط.
ولكن لا يوجد بديل جيد للهيليوم في معظم التطبيقات، كما أن إعادة تدوير العنصر أصعب بكثير عند استخدامه كغاز. في مصانع أشباه الموصلات، على سبيل المثال، يزيل غاز الهيليوم الحرارة من حول السيليكون لمنع الضرر ويحميه من التفاعلات غير المرغوب فيها.
ومع ارتفاع الطلب على الحوسبة، مدفوعاً جزئياً بالذكاء الاصطناعي، فإن الولايات المتحدة كذلك الاستثمار بكثافة في بناء مصانع جديدة، الأمر الذي من المرجح أن يؤدي إلى زيادة الطلب على الهيليوم. ويقول كورنبلوث: “ليس هناك شك في أن تصنيع الرقائق سيكون التطبيق الأكبر في السنوات المقبلة، إن لم يكن كذلك بالفعل”.
بشكل عام، يقول كورنبلوث، إن صناعة الهيليوم تتوقع أن تشهد نموًا بأرقام فردية منخفضة خلال السنوات القليلة المقبلة.
وبالنظر إلى أبعد من ذلك، يتوقع كلارك أن معظم الصناعات سوف تتخلص في نهاية المطاف من الاستخدامات غير الضرورية للهيليوم. وبدلا من ذلك، سوف يستخدمونه في المقام الأول للتبريد المبرد أو في الحالات التي لا يوجد فيها بديل. ويشمل ذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية، والصواريخ، وكابلات الألياف الضوئية، ومصانع أشباه الموصلات، ومسرعات الجسيمات، وبعض مفاعلات الاندماج النووي.
يقول كلارك: “إنه أمر يجب على كل هذه التقنيات الجديدة أن تأخذه بعين الاعتبار، لسبب يتعلق بالتكلفة”.
ونظرًا لأهميته بالنسبة للعديد من الصناعات، يعتقد سيدانتاكار أن الهيليوم يجب أن يكون أولوية أعلى لأولئك الذين يفكرون في إدارة الموارد الاستراتيجية. في تحليل حديثووجد أن سلاسل التوريد العالمية للهيليوم والليثيوم والمغنيسيوم تواجه مخاطر مماثلة.
يقول سيدانتاكار: “إنها أداة تمكين رئيسية للتطبيقات المهمة، وهي إحدى الأجزاء التي أعتقد أنها بحاجة إلى المزيد من الفهم والتقدير”.
توازن دقيق
يتكون الهيليوم الذي نستخدمه اليوم من تحلل المواد المشعة منذ ملايين السنين، وهو محصور في الصخور تحت سطح الأرض منذ ذلك الحين.
وعادة ما يتم استخراج الهيليوم من هذه الخزانات الجوفية مع الغاز الطبيعي، كما أوضح جون ماتيل في مقال من موقعنا عدد يناير 1986: “يمكن فصل الهيليوم بسهولة عن الغاز قبل الاحتراق، ولكن كلما انخفض تركيز الهيليوم، زادت تكلفة القيام بذلك.”
بشكل عام، تركيزات الهيليوم يجب أن لا يقل عن 0.3% لتتعب شركات الغاز في ذلك. ولا يمكن العثور على مثل هذه المستويات إلا في عدد قليل من البلدان بما في ذلك الولايات المتحدة وقطر والجزائر وكندا وجنوب أفريقيا.
إذن، لا يرجع نقص الهليوم إلى نقص الهيليوم، بل إلى عدم قدرة المنتجين في تلك البلدان القليلة على توصيله إلى العملاء في كل مكان في الوقت المناسب. يمكن أن يحدث ذلك لأي عدد من الأسباب.
يقول كورنبلوث: “إنها تجارة عالمية للغاية، وفي أي وقت تندلع حرب في مكان ما، أو أي شيء من هذا القبيل، فإنها تميل إلى التأثير على تجارة الهليوم”.
التحدي الآخر هو أن ذرات الهيليوم خفيفة للغاية بحيث لا تستطيع جاذبية الأرض التمسك بها. إنهم يميلون إلى الطيران بعيدًا، وحتى الهروب من الدبابات المصممة خصيصًا. يتم فقدان ما يصل إلى 50% من الهيليوم الذي نستخرجه قبل أن نتمكن من استخدامه، وفقًا لتحليل جديد قدمه سيدهانتاكار الأسبوع الماضي في المؤتمر. المائدة المستديرة الدولية بشأن أهمية المواد.
ونظراً لكل هذا، فإن البلدان التي تحتاج إلى الكثير من الهليوم -كندا، والصين، والبرازيل، وألمانيا، وفرنسا، واليابان، والمكسيك، وكوريا الجنوبية، والمملكة المتحدة هي من بين أكبر المستوردين- يجب أن تعمل بشكل مستمر لضمان إمدادات يمكن الاعتماد عليها. تعد الولايات المتحدة واحدة من أكبر مستهلكي الهيليوم، ولكنها أيضًا منتج رائد.
لعقود من الزمن، كانت سوق الهليوم العالمية مرتبطة بشكل وثيق بحكومة الولايات المتحدة، التي بدأت في تخزين الهليوم في تكساس في عام 1961 لأغراض عسكرية. كما كتب هاولاند في عام 1975، “كان المبرر الأصلي للبرنامج الفيدرالي للحفاظ على الهيليوم هو تخزين الهيليوم حتى وقت لاحق عندما يصبح أكثر أهمية وأقل توفرًا.”
ولكن الولايات المتحدة باعت ببطء قسماً كبيراً من مخزونها، وهي الآن تبيع ما تبقى منها بالمزاد العلني، مع انتظار البيع النهائي في الأشهر القليلة المقبلة. العواقب ليست واضحة بعد، على الرغم من أنه يبدو من المرجح أن وكالات مثل وكالة ناسا سوف تضطر إلى دفع المزيد مقابل الهيليوم في المستقبل. وكما كتب كريستوفر توماس فريبورن في مقال نشر عام 1997 بعنوان “احفظ الهيليوم“،” من خلال إلغاء الاحتياطي، وضعت الحكومة الفيدرالية … نفسها تحت رحمة السوق “.
ولا يزال العملاء في كل مكان يعتمدون بشكل كبير على الولايات المتحدة وقطر، اللتين تنتجان معًا أكثر من 75% من كل الهيليوم الذي يستخدمه العالم. لكن الولايات المتحدة أنتجت وصدرت أقل بكثير في العقد الماضي، في حين ارتفع الطلب من المستهلكين الأمريكيين بنسبة 40٪، وفقا لتقرير هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية. روبرت جودين.
وحرصاً منها على ملء الفراغ، بدأت بلدان جديدة الآن في إنتاج الهليوم، وتستكشف مجموعة من الشركات مشاريع محتملة في مختلف أنحاء العالم. تم افتتاح أربعة مصانع للهيليوم العام الماضي في كندا بدأ واحد فى جنوب افريقيا.
من المقرر أن تفتتح روسيا مصنعاً جديداً ضخماً من شأنه أن يزود الصين قريباً بالهيليوم، وبذلك تتفوق على الجزائر باعتبارها ثالث أكبر منتج في العالم.
يقول كورنبلوث: “ستصبح روسيا المنتج رقم ثلاثة في وقت مبكر من عام 2025، وسينتهي بها الأمر إلى أن تمثل ربع الإمدادات العالمية في غضون السنوات الخمس المقبلة”.
ويضيف أن شركة قطر للغاز تفتتح مصنعًا رابعًا في قطر، والذي – إلى جانب المنشأة الجديدة في روسيا – من شأنه أن يزيد إمدادات الهيليوم العالمية بنحو 50٪ في السنوات القليلة المقبلة.
تدرس بعض الشركات الآن مواقع يمكنها من خلالها استخراج الهيليوم دون معاملته كمنتج ثانوي للغاز الطبيعي. هيليوم واحد يستكشف العديد من هذه المصادر في تنزانيا.
هل سيكون كافيا؟
مرة أخرى في عام 1975، وصف هاولاند سوق الهليوم باعتباره «مثالًا على البدايات الخاطئة، وأوجه القصور، والمزالق الاقتصادية التي يجب علينا تجنبها للحفاظ على مواردنا القابلة للاستنزاف بحكمة».
وتوقع أيضًا أن تستخدم الولايات المتحدة جزءًا كبيرًا من احتياطياتها المعروفة من الهيليوم بحلول مطلع القرن. ولكن لا يزال لدى الولايات المتحدة ما يكفي من الهليوم في احتياطيات الغاز الطبيعي لمدة 150 سنة أخرى. وفقا لتحليل USGS الأخير.
يقول سيدهانتاكار: “كما هو الحال مع الكثير من الأشياء الأخرى، سيتعلق الأمر بالإدارة المستدامة لهذا المورد”.