Soluzioni alternative all’elio

Nel caso della gascromatografia, l'idrogeno presenta una serie di vantaggi rispetto all'elio, tra i quali un costo inferiore, la sua disponibilità attraverso l'elettrolisi dell'acqua e una maggiore velocità di campionamento.

L'elio è ben noto come quella sostanza che fa volare palloni e dirigibili e che, nella sua forma liquida, viene usata in svariate applicazioni, tra le quali il raffreddamento dei magneti negli scanner per la risonanza magnetica (MRI), dei rivelatori a infrarossi e dei superconduttori nel Large Hadron Collider del CERN.

L'elio viene distillato da depositi di gas naturale che si sono accumulati in presenza di uranio e torio. Questi elementi radioattivi producono elio quando subiscono il decadimento alfa1 e il gas rimane intrappolato insieme al gas naturale finché non viene estratto. La presenza di elio insieme al gas naturale fu scoperta per la prima volta nel 1903 in Kansas2 e da allora le qualità fisiche dell'elio (inerzia, leggerezza, temperatura di liquefazione estremamente bassa) hanno reso il suo uso essenziale in diversi settori industriali e scientifici, oltre a essere un elemento indispensabile nelle feste di compleanno. Con livelli pari allo 0,3% del volume nei depositi di gas naturale, l'elio è considerato una risorsa da estrarre3 e si dice che alcuni depositi di gas naturale contengano fino al 7% di elio in volume.

Una breve storia della penuria di elio

Nel 1925, gli Stati Uniti istituirono la National Helium Reserve (NHR)4, situata nelle pianure del Texas, e dal 1929 gli USA furono il più grande produttore mondiale di elio, con il Bureau of Mines che coordinava i programmi di estrazione e raffinazione. L'elio veniva prodotto principalmente per uso militare e fino al 1960 il governo federale è stato l'unico produttore di elio negli Stati Uniti. Nel 1960 il Congresso approvò l'Helium Act per incentivare i produttori di gas naturale a estrarre elio grezzo e a venderlo al governo. Gran parte di questo elio fu immagazzinato presso la NHR e i prezzi furono imposti per coprire i costi del programma e per pagare i debiti. Tuttavia, la domanda federale di elio del dopoguerra era inferiore a quanto previsto e con la domanda privata che superava di gran lunga quella federale, nel 1996 il governo statunitense approvò l'Helium Privatization Act (HPA). L'HPA rappresentò il tentativo di cancellare il debito di 1,4 miliardi di dollari legato al giacimento attraverso la vendita di tutte le riserve nazionali degli Stati Uniti entro l'anno 2015. Le compagnie private statunitensi non hanno intrapreso azioni per raffinare l'elio nei quantitativi previsti e il potenziale problema di approvvigionamento ha spinto altre nazioni a iniziare l'estrazione dell'elio, e ora ci sono raffinerie che stanno producendo elio in un certo numero di paesi nel mondo, tra cui Russia, Qatar, Algeria e Australia. 

Perché c’è una penuria di elio?

Nel 2012 gli Stati Uniti hanno prodotto circa il 78% dell'elio mondiale, di cui circa il 30% proveniva dalla NHR4. La scarsa disponibilità di elio è stata causata da diversi fattori, tra i quali guasti e fermi5 negli impianti di raffinazione a livello mondiale, con la manutenzione programmata in diverse raffinerie di gas naturale del mondo, la quale ha interrotto la fornitura. Questi fattori, uniti a una crescente domanda di elio da parte di paesi di più recente industrializzazione come la Cina, indicano che ci stiamo avvicinando ancora di più a una penuria di livello mondiale, con i clienti che stanno già assistendo a forti aumenti di prezzo e a problemi nelle forniture, mentre le aziende private faticano a soddisfare la domanda. Uno sguardo alle cifre pubblicate dallo United States Geological Survey (USGS) mostra che mentre il volume di elio estratto dai giacimenti di gas naturale è rimasto costante negli ultimi 5 anni, il consumo da parte della NHR è aumentato regolarmente. Nello stesso periodo, le esportazioni di elio statunitense sono salite al 60% del totale6, e con la NHR che si sta rapidamente svuotando, la situazione attuale sembra essere insostenibile. La domanda mondiale di elio supera di gran lunga la produzione e quindi si devono cercare alternative all'elio per diverse tecnologie.

Potenziali alternative all’elio

Criogenesi

Quelle applicazioni che necessitano di temperature inferiori a -256°C avranno ancora bisogno di elio liquido, ma attualmente sono disponibili alternative per il raffreddamento dei magneti per gli scanner per risonanza magnetica e altre applicazioni che hanno bisogno di superconduttori. L'azoto liquido può essere usato in alcuni sistemi di raffreddamento e ci sono ora un certo numero di aziende specializzate in soluzioni di raffreddamento ad acqua cosiddette 'chiller' per il raffreddamento delle risonanze magnetiche.

Gas di protezione saldature

L'elio è comunemente usato come gas di protezione per la saldatura dei metalli non ferrosi. L'argon può essere usato al posto dell'elio e gli viene preferito davanti a certi tipi di metallo.

Palloni

L'elio è usato molto in applicazioni più leggere dell'aria e l'idrogeno è un sostituto adatto per molte applicazioni in situazioni nelle quali la natura infiammabile dell'idrogeno non rappresenta un problema.

Gas di spurgo

L'elio e l'argon sono comunemente usati come gas di spurgo per via della loro inerzia, ma l'azoto è probabilmente il gas di spurgo più usato nelle applicazioni industriali e la penuria di elio porterà con tutta probabilità a un aumento dell'uso di alternative per tali applicazioni.

Atmosfere controllate

L'elio è comunemente usato nelle applicazioni ad atmosfera controllata, ma l'azoto rappresenta un'opzione più economica per la conservazione a lungo termine degli alimenti.

Gas per immersioni in acque profonde

L'elio viene comunemente miscelato con l'ossigeno per evitare che i subacquei in acque profonde sviluppino i sintomi della narcosi da azoto, ma anche le miscele di idrogeno/ossigeno sono usate per le immersioni profonde e potrebbero venire sempre più utilizzate per via dell'aumento dei prezzi dell'elio.

Gascromatografia

Nel caso della gascromatografia, l'idrogeno presenta una serie di vantaggi rispetto all'elio, tra i quali un costo inferiore, la sua disponibilità attraverso l'elettrolisi dell'acqua e una maggiore velocità di campionamento. Molti laboratori cromatografici stanno attivamente passando dall'uso dell'elio all'idrogeno come gas vettore.

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Il dott. Ed Connor è un application specialist per la GC-MS presso Peak Scientific, Inchinnan Business Park, Scozia, Regno Unito. Prima di entrare a far parte di Peak nel febbraio 2013, Ed aveva completato il suo dottorato di ricerca presso l'ETH di Zurigo in Svizzera utilizzando la GC-MS per studiare i volatili delle piante indotti dagli erbivori e la loro interazione con gli insetti utili. Si è poi trasferito all'Università di Zurigo dove il suo lavoro si è concentrato principalmente sui metodi di raccolta dei volatili e sulle analisi con GC-MS e GC-FID. +44 141 812 8100, econnor@peakscientific.com

Bibliografia:

1: http://backreaction.blogspot.co.uk/2008/07/liquid-helium.html

2: http://en.wikipedia.org/wiki/Helium

3: http://geology.com/articles/helium/

4: http://www.popularmechanics.com/science/health/med-tech/as-shortage-worsens-we-visit-the-federal-helium-reserve-14720528

5: http://articles.chicagotribune.com/2012-05-26/news/ct-talk-helium-shortage-0527-20120526_1_helium-shortage-balloon-algeria

6: Mineral Commodity Summaries 2013: minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2013/mcs2013.pdf