Contenido
- ¿Qué es el helio?
- ¿De dónde viene el helio?
- ¿Por qué hay helio en algunos gases naturales?
- ¿Dónde está el gas natural rico en helio?
- Usos de helio
- Imagen de resonancia magnética
- Elevación de gas
- Gas de purga
- Fabricación de atmósfera controlada
- Detección de fugas
- Mezclas de respiración
- Gas de soldadura
- Helio: un recurso no renovable
- Glúteos de Helio y Escasez de Helio
Dirigible de helio: La mayoría de las personas han oído hablar del uso del helio como gas de elevación para globos meteorológicos, globos dirigibles y globos de fiesta. Estos son usos muy menores de helio. El uso que consume más helio que cualquier otro es el enfriamiento de los imanes en máquinas de resonancia magnética (MRI) en instalaciones médicas. Foto del dirigible Goodyear de Derek Jensen.
¿Qué es el helio?
El helio es un elemento químico y un gas inerte, incoloro, inodoro e insípido. Tiene el radio atómico más pequeño de cualquier elemento y el segundo peso atómico más bajo. Es más ligero que el aire.
La mayoría de las personas saben que el helio se usa como gas de elevación en globos dirigibles y globos de fiesta, pero no pueden nombrar otra forma de usarlo. El uso número uno del helio es como gas refrigerante para las máquinas de imágenes por resonancia magnética (MRI) que se utilizan en instalaciones médicas. Otros usos importantes del helio incluyen: un gas protector para la soldadura, un gas inerte para la fabricación en atmósfera controlada, un gas fugitivo utilizado para la detección de fugas y un gas de baja viscosidad para mezclas de respiración a presión.
¿De dónde viene el helio?
Muy poco helio está presente en la atmósfera terrestre. Es un elemento tan ligero que la gravedad de la Tierra no puede contenerlo. Cuando está presente en la superficie de la Tierra, el helio no confinado comienza a elevarse inmediatamente hasta que escapa del planeta. ¡Por eso se elevan los globos de fiesta!
El helio que se produce comercialmente se obtiene del suelo. Algunos campos de gas natural tienen suficiente helio mezclado con el gas para extraerlo a un costo económico. Algunos campos en los Estados Unidos contienen más del 7% de helio por volumen. Las compañías que perforan gas natural en estas áreas producen el gas natural, lo procesan y eliminan el helio como subproducto.
Depósitos de gas natural con helio: Modelo de depósito para campos de gas natural con helio en los Estados Unidos. El helio se produce por la descomposición del uranio y el torio en las rocas granitoides del sótano. El helio liberado es flotante y se mueve hacia la superficie en la porosidad asociada con fallas en el sótano. El helio luego se mueve hacia arriba a través de una cubierta sedimentaria porosa hasta que queda atrapado con gas natural debajo de lechos de anhidrita o sal. Estos son los únicos tipos de roca lateralmente persistentes que pueden atrapar y contener los pequeños átomos de helio flotantes. Esta situación geológica solo ocurre en unos pocos lugares del mundo y es por eso que las ricas acumulaciones de helio son raras.
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¿Por qué hay helio en algunos gases naturales?
Se cree que la mayor parte del helio que se elimina del gas natural se forma a partir de la desintegración radiactiva del uranio y el torio en las rocas granitoides de la corteza continental de la Tierra. Como gas muy ligero, es flotante y busca moverse hacia arriba tan pronto como se forma. Las acumulaciones de helio más ricas se encuentran donde existen tres condiciones: 1) las rocas basales granitoides son ricas en uranio y torio; 2) las rocas del sótano están fracturadas y tienen fallas para proporcionar caminos de escape para el helio; y 3) las rocas sedimentarias porosas sobre las fallas del sótano están cubiertas por un sello impermeable de halita o anhidrita. Cuando se cumplen estas tres condiciones, el helio puede acumularse en la capa de roca sedimentaria porosa.
El helio tiene el radio atómico más pequeño de cualquier elemento, aproximadamente 0.2 nanómetros. Entonces, cuando se forma y comienza a moverse hacia arriba, puede pasar a través de espacios de poros muy pequeños dentro de las rocas. La halita y la anhidrita son las únicas rocas sedimentarias que pueden bloquear la migración ascendente de los átomos de helio. Las lutitas que tienen sus espacios de poros tapados con abundantes materiales orgánicos (kerógeno) a veces sirven como una barrera menos efectiva.
Depósitos de gas natural con helio: Mapa que muestra los campos de gas natural que sirven como fuentes importantes de helio en los Estados Unidos. El gas natural producido en estos campos contiene entre 0.3% y más de 7% de helio. El helio se elimina del gas para la venta comercial. Imagen usando datos de ubicación del Servicio Geológico de Estados Unidos.
¿Dónde está el gas natural rico en helio?
La mayoría del gas natural sin procesar contiene al menos trazas de helio. Muy pocos campos de gas natural contienen suficiente para justificar un proceso de recuperación de helio. Una fuente de gas natural debe contener al menos 0.3% de helio para ser considerada como una fuente potencial de helio.
En 2010, todo el gas natural procesado para helio en los Estados Unidos provenía de campos en Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah y Wyoming, como se muestra en el mapa adjunto. El campo Hugoton en Oklahoma, Kansas y Texas; el campo Panoma en Kansas; el campo de Keyes en Oklahoma; Panhandle West y Cliffside Fields en Texas, y Riley Ridge Field en Wyoming representan la mayor parte de la producción de helio en los Estados Unidos.
Durante 2010, Estados Unidos produjo 128 millones de metros cúbicos de helio. De esa cantidad, 53 millones de metros cúbicos de helio fueron extraídos del gas natural, y 75 millones de metros cúbicos fueron retirados de la Reserva Nacional de Helio. Otros países con cantidades de producción conocidas fueron: Argelia (18 mcm), Qatar (13 mcm), Rusia (6 mcm) y Polonia (3 mcm). Canadá y China produjeron pequeñas pero no reportadas cantidades de helio.
Helio en máquinas de resonancia magnética: El uso número uno de helio es enfriar los imanes en las máquinas de resonancia magnética (MRI, por sus siglas en inglés) utilizadas para diagnosticar enfermedades y lesiones en instalaciones médicas.
Un nuevo uso para el helio: El primer disco duro sellado con helio se produjo en 2013. Helio permite que el disco use menos energía, produzca menos calor, haga menos ruido, ocupe menos espacio, contenga más datos y produzca menos vibraciones que un disco duro estándar. Aprende más.
Usos de helio
El helio tiene una serie de propiedades que lo hacen excepcionalmente adecuado para ciertos usos. En algunos de estos usos, el helio es el mejor gas posible para usar, y en algunos no hay un sustituto adecuado para el helio. A continuación se describen varios usos del helio junto con las propiedades que lo hacen adecuado para el uso.
Imagen de resonancia magnética
El uso número uno de helio se encuentra en las máquinas de imágenes de resonancia magnética utilizadas en instalaciones médicas para evaluar lesiones y diagnosticar enfermedades. Estas máquinas utilizan un campo magnético producido por un imán superconductor. Estos imanes generan una enorme cantidad de calor. El helio líquido es la sustancia refrigerante elegida para regular la temperatura de estos imanes. Debido a que el helio tiene el segundo calor específico más bajo de cualquier gas y el punto de ebullición / fusión más bajo de cualquier elemento, no hay un sustituto previsto para el helio en este uso tan importante.
Elevación de gas
El helio tiene el segundo peso atómico más bajo de cualquier elemento. Solo el hidrógeno tiene un peso atómico más bajo. Como gas más ligero que el aire, el helio se ha utilizado como "gas de elevación" para aeronaves y globos. Dirigibles, dirigibles, zepelines, globos antiaéreos, globos meteorológicos y otras naves más ligeras que el aire han utilizado helio como gas de elevación. Es mucho más seguro que el hidrógeno porque no es inflamable. Esta fue la categoría más importante de uso de helio hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. Cantidades mucho más bajas de helio ahora se usan como gas de elevación.
Gas de purga: La NASA y el Departamento de Defensa utilizan el helio para purgar el oxígeno líquido y el hidrógeno líquido de los tanques de combustible y los sistemas de suministro de combustible de los motores de cohetes. El helio es inerte y tiene una temperatura de congelación tan baja que sigue siendo un gas durante el proceso de purga. Incluso se ha utilizado un flujo de helio en estos sistemas durante las emergencias para extinguir incendios. Imagen de la NASA.
Mezclas para respirar helio: El helio se usa para preparar mezclas de gases de respiración para el buceo en aguas profundas. El helio es inerte y tiene una baja viscosidad bajo presión que permite una respiración más fácil. Imagen de NOAA.
Gas de purga
El helio tiene el punto de fusión y ebullición más bajo de cualquier gas. Se derrite y hierve a temperaturas cercanas al cero absoluto. Debido a que sigue siendo un gas a temperaturas muy bajas, se puede usar como gas de purga para tanques de combustible y sistemas de suministro de combustible que están llenos de líquidos muy fríos, como hidrógeno líquido y oxígeno líquido. Debido a que es inerte y tiene una temperatura de congelación baja, puede desplazar estos combustibles de manera segura sin congelarse. La NASA y el Departamento de Defensa utilizan grandes cantidades de helio para purgar los sistemas de propulsión de cohetes.
Fabricación de atmósfera controlada
El helio es un gas inerte. El único gas con menor reactividad es el neón. Esta baja reactividad convierte al helio en un gas valioso para usar en procesos de fabricación y reparación cuando se requiere una atmósfera inerte. El helio también tiene la segunda densidad más baja de cualquier gas junto con una conductividad térmica muy alta. Estas propiedades del gas helio lo convierten en la atmósfera elegida para muchos procesos metalúrgicos, produciendo cristales perfectos en vapores químicos, fabricando fibras ópticas y otros usos.
Detección de fugas
El helio tiene una viscosidad muy baja, un alto coeficiente de difusión y el átomo más pequeño de cualquier elemento. Estas características hacen que el helio sea muy difícil de contener. Si un sistema tiene una fuga, el helio escapará. Por lo tanto, el gas helio se usa para probar fugas en sistemas de alto vacío, sistemas de combustible y otros contenedores.
Mezclas de respiración
El helio y otros gases inertes se utilizan para preparar mezclas de respiración para el buceo en aguas profundas y tratamientos médicos. El helio se usa aquí porque es inerte, tiene una viscosidad muy baja y es más fácil de respirar bajo presión que cualquier otro gas.
Gas de soldadura
El helio se usa como atmósfera protectora cuando se suelda. Una atmósfera de gas inerte protege los metales calientes de la oxidación y otras reacciones que pueden ocurrir rápidamente a altas temperaturas.
Usos de helio: Cantidades relativas de helio consumidas por diversos usos en los Estados Unidos durante 2011. Gráfico utilizando datos del USGS.
Helio: un recurso no renovable
El helio es un gas que solo se encuentra donde ocurre una coincidencia de situaciones poco probables. Aunque se está produciendo continuamente por la descomposición de minerales radiactivos en la corteza terrestre, su tasa de producción y acumulación natural es tan lenta que debe considerarse un recurso no renovable.
Glúteos de Helio y Escasez de Helio
En 1925, los Estados Unidos establecieron la Reserva Nacional de Helio para servir como un suministro estratégico de helio para su uso en aeronaves y para otros fines de defensa. En ese momento, el país producía mucho más helio del que se consumía. Después de la Segunda Guerra Mundial, la cantidad de helio utilizada como gas de elevación disminuyó, pero la demanda de helio como gas de purga al repostar motores de cohetes y como refrigerante en las instalaciones de armas nucleares aumentó. Aún así, se estaba produciendo más helio del que se consumía.
En 1995, el Congreso decidió que la Reserva Nacional de Helio no era esencial e inició un programa para vender el helio como parte de la Ley de Privatización de Helio de 1996. Durante casi dos décadas, el Congreso permitió que el helio se vendiera con un enorme descuento para el mercado libre. precios. Hasta la mitad de la demanda mundial de helio se cubría a través de las ventas de la Reserva Nacional de Helio. En algunos años, se exportó más helio fuera de los Estados Unidos a otros países del que se consumió en el país. Los que compraron helio del gobierno obtuvieron un trato fantástico, y los que compraron helio en el mercado libre pagaron un precio mucho más alto.
El vertido de las reservas de la Reserva Nacional de Helio en el mercado deprimió tanto el precio del helio que se estaba utilizando como un sustituto barato del argón y otros gases que tienen un suministro mucho menos limitado.
Debido a que la producción comercial de helio no fue recompensada o utilizada en gran medida, el mercado tuvo una oferta insuficiente cuando las ventas de la Reserva Nacional de Helio fueron reemplazadas por un sistema de subastas en 2014. En la primera subasta, dos postores compraron la asignación anual completa de 93 millones de pies cúbicos de helio a más que el doble del precio de mercado de años anteriores. Después de la subasta, se vendieron otros mil millones de pies cúbicos a los mismos dos postores.
Desde la primera subasta, el precio del helio continuó aumentando porque la producción de helio nuevo no alcanza el consumo. El aumento de precios ha provocado la inversión en nuevas plantas de procesamiento de helio. Sin embargo, el helio solo puede producirse a partir de campos de gas natural con sal o anhidrato como roca trampa. Estos solo ocurren en algunas partes del mundo.
Según la ley actual, la Reserva Nacional de Helio se agotará para 2021. Esperemos que la creciente inversión en plantas de recuperación de helio sea adecuada para satisfacer las necesidades de los consumidores de helio cuando se haya ido esa importante fuente de helio.