Innehåll
- Vad är Helium?
- Var kommer Helium ifrån?
- Varför finns Helium i naturgas?
- Var är naturgas rik på helium?
- Användningar av Helium
- Bild av magnetisk resonans
- Lyftgas
- Rengöring av gas
- Kontrollerad atmosfärstillverkning
- Läckagedetektion
- Andningsblandningar
- Svetsgas
- Helium: En icke-förnybar resurs
- Heliumgluter och Heliumbrist
Helium blimp: De flesta har hört talas om att helium används som lyftgas för väderballonger, fläktar och festballonger. Dessa är mycket mindre användningar av helium. Användningen som förbrukar mer helium än någon annan är att kyla magneterna i MRI-maskiner (magnetisk resonansavbildning) i medicinska anläggningar. Goodyear blimpfoto av Derek Jensen.
Vad är Helium?
Helium är ett kemiskt element och en färglös, luktfri, smaklös inert gas. Den har den minsta atomradien för något element och den näst lägsta atomvikten. Det är lättare än luft.
De flesta vet att helium används som lyftgas i blimps och partyballonger, men de kan inte namnge ett annat sätt på vilket det används. Den första användningen av helium är som en kylgas för MRI-maskiner (magnetisk resonansavbildning) som används i medicinska anläggningar. Andra viktiga användningar av helium inkluderar: en skyddande gas för svetsning, en inert gas för tillverkning av kontrollerad atmosfär, en flyktig gas som används för läckagedetektering och en lågviskositetsgas för andningsblandningar under tryck.
Var kommer Helium ifrån?
Mycket lite helium finns i jordens atmosfär. Det är ett så lätt element att jordens tyngdkraft inte kan hålla det. När den finns på jordens yta börjar okonfinerad helium omedelbart stiga tills den flyr från planeten. Det är därför partyballonger stiger!
Helium som produceras kommersiellt erhålls från marken. Vissa naturgasfält har tillräckligt med helium blandat med gasen att den kan utvinnas till en ekonomisk kostnad. Några fält i USA innehåller över 7 volymprocent helium. Företag som borrar efter naturgas i dessa områden producerar naturgas, bearbetar den och tar bort helium som biprodukt.
Heliumbärande naturgasavlagringar: Insättningsmodell för heliumbärande naturgasfält i USA. Helium produceras genom förfall av uran och thorium i granitoidkällarbergarter. Den frigjorda helium är flytande och rör sig mot ytan i porositet förknippad med källarfel. Helium rör sig sedan uppåt genom poröst sedimenttäcke tills det fångas med naturgas under bäddar av anhydrit eller salt. Dessa är de enda lateralt beständiga bergstyperna som kan fånga och innehålla de små, flytande heliumatomerna. Denna geologiska situation inträffar endast på några få platser i världen och därför är rika heliumansamlingar sällsynta.
Relaterad: En ny användning av Helium - hårddiskar
Varför finns Helium i naturgas?
Det mesta av heliumet som tas bort från naturgas tros bildas från radioaktivt förfall av uran och thorium i granitoidbergarter på jordens kontinentala skorpa. Som en mycket lätt gas är den flytande och försöker röra sig uppåt så snart den bildas. De rikaste heliumansamlingarna finns där tre förhållanden finns: 1) granitoidkällarbergarter är rika på uran och thorium; 2) källarbergarna är sprickade och felaktiga för att tillhandahålla flyktvägar för helium; och, 3) porösa sedimentära stenar ovanför källarfelarna täcks av en ogenomtränglig tätning av halit eller anhydrit. När alla dessa tre villkor är uppfyllda, kan helium samlas i det porösa sedimentära berglagret.
Helium har den minsta atomradien för något element, cirka 0,2 nanometer. Så när den formas och börjar röra sig uppåt, kan den passa genom mycket små porutrymmen i klipporna. Halit och anhydrit är de enda sedimentära stenarna som kan blockera den uppåtgående migrationen av heliumatomer. Skiffer som har sina porutrymmen pluggade med rikliga organiska material (kerogen) fungerar ibland som en mindre effektiv barriär.
Heliumbärande naturgasavlagringar: Karta som visar naturgasfält som fungerar som viktiga källor till helium i USA. Naturgas som produceras från dessa fält innehåller mellan 0,3% och över 7% helium. Heliumet avlägsnas från gasen för kommersiell försäljning. Bild med hjälp av platsdata från United States Geological Survey.
Var är naturgas rik på helium?
De flesta obearbetade naturgas innehåller minst spårmängder helium. Mycket få naturgasfält innehåller tillräckligt för att motivera en heliumåtervinningsprocess. En naturgaskälla måste innehålla minst 0,3% helium för att betraktas som en potentiell heliumkälla.
2010 kom all naturgas som bearbetades för helium i USA från fält i Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah och Wyoming, som visas på den bifogade kartan. Hugoton-fältet i Oklahoma, Kansas och Texas; Panoma Field i Kansas; Keyes-fältet i Oklahoma; Panhandle West och Cliffside Fields i Texas och Riley Ridge Field i Wyoming står för det mesta av heliumproduktionen i USA.
Under 2010 producerade USA 128 miljoner kubikmeter helium. Av det beloppet extraherades 53 miljoner kubikmeter helium från naturgas och 75 miljoner kubikmeter drogs tillbaka från National Helium Reserve. Andra länder med kända produktionsmängder var: Algeriet (18 mcm), Qatar (13 mcm), Ryssland (6 mcm) och Polen (3 mcm). Kanada och Kina producerade små men orapporterade mängder helium.
Helium i MRI-maskiner: Den första användningen av helium är att kyla magneterna i MRI-maskinerna (magnetisk resonansavbildning) som används för att diagnostisera sjukdomar och skador i medicinska anläggningar.
En ny användning för Helium: Den första heliumförslutna hårddisken producerades 2013. Helium gör det möjligt för enheten att använda mindre energi, producera mindre värme, göra mindre ljud, ta mindre plats, hålla mer data och producera färre vibrationer än en vanlig hårddisk. Läs mer.
Användningar av Helium
Helium har ett antal egenskaper som gör det exceptionellt väl lämpat för vissa användningsområden. I vissa av dessa användningar är helium den bästa möjliga gasen att använda, och hos några få finns det ingen tillräcklig ersättning för helium. Flera användningar av helium tillsammans med egenskaperna som gör det lämpligt för användning beskrivs nedan.
Bild av magnetisk resonans
Den första användningen av helium finns i de magnetiska resonansavbildningsmaskinerna som används i medicinska anläggningar för att bedöma skador och diagnostisera sjukdom. Dessa maskiner använder ett magnetfält som produceras av en superledande magnet. Dessa magneter genererar en enorm mängd värme. Flytande helium är det kylämne som väljs för att reglera temperaturen på dessa magneter. Eftersom helium har den näst lägsta specifika värmen för någon gas och den lägsta kok- / smältpunkten för något element, finns det ingen förutsedd ersättning för helium vid denna mycket viktiga användning.
Lyftgas
Helium har den näst lägsta atomvikten för något element. Endast väte har en lägre atomvikt. Som en lättare luft än luft har helium använts som en "lyftgas" för luftskepp och ballonger. Blimps, riktningar, zeppelins, luftfartygsballonger, väderballonger och andra lättare än luftbåtar har alla använt helium som lyftgas. Det är mycket säkrare än väte eftersom det inte är brandfarligt. Detta var den viktigaste kategorin av heliumanvändning fram till slutet av andra världskriget. Mycket lägre mängder helium används nu som lyftgas.
Rengörande gas: Helium används av NASA och Department of Defense för att rena flytande syre och flytande väte från bränsletankar och bränsletillförselsystem för raketmotorer. Helium är inert och har en frysetemperatur som är så låg att den förblir en gas genom reningsprocessen. Ett flöde av helium in i dessa system har till och med använts under nödsituationer för att släcka bränder. Bild av NASA.
Helium andningsblandningar: Helium används för att förbereda andningsgasblandningar för djupt vatten dykning. Helium är inert och har en låg viskositet under tryck som gör det lättare att andas. Bild av NOAA.
Rengöring av gas
Helium har den lägsta smält- och kokpunkten för någon gas. Det smälter och kokar vid temperaturer nära absolut noll. Eftersom det förblir en gas vid mycket låga temperaturer, kan den användas som en reningsgas för bränsletankar och bränsletillförselsystem som är fyllda med mycket kalla vätskor såsom flytande väte och flytande syre. Eftersom den är inert och har en låg frystemperatur kan den förskjuta dessa bränslen på ett säkert sätt utan att frysa. Stora mängder helium används av NASA och försvarsdepartementet för att rensa raketframdrivningssystem.
Kontrollerad atmosfärstillverkning
Helium är en inert gas. Den enda gasen med lägre reaktivitet är neon. Denna låga reaktivitet gör helium till en värdefull gas att använda vid tillverkning och reparationsprocesser när en inert atmosfär krävs. Helium har också den näst lägsta densiteten för någon gas tillsammans med en mycket hög värmeledningsförmåga. Dessa egenskaper hos heliumgas gör det till den valda atmosfären för många metallurgiska processer, växer perfekta kristaller i kemiska ångor, tillverkar optiska fibrer och andra användningsområden.
Läckagedetektion
Helium har en mycket låg viskositet, en hög diffusionskoefficient och den minsta atomen i något element. Dessa egenskaper gör helium mycket svårt att innehålla. Om ett system har läckage kommer helium att fly. Heliumgas används därför för att testa högvakuumsystem, bränslesystem och andra inneslutningar för läckor.
Andningsblandningar
Helium och andra inerta gaser används för att förbereda andningsblandningar för dykvatten och medicinsk behandling. Helium används här eftersom den är inert, har en mycket låg viskositet och är lättare att andas under tryck än någon annan gas.
Svetsgas
Helium används som skyddande atmosfär vid svetsning. En atmosfär med inert gas skyddar heta metaller från oxidation och andra reaktioner som kan uppstå snabbt vid höga temperaturer.
Användningar av helium: Relativa mängder helium som konsumeras av olika användningar i USA under 2011. Graf med hjälp av data från USGS.
Helium: En icke-förnybar resurs
Helium är en gas som endast finns där ett sammanfall av osannolika situationer inträffar. Även om det kontinuerligt produceras genom radioaktivt mineralförfall i jordskorpan, är dess naturliga produktionsgrad och ansamling så långsam att det måste betraktas som en icke-förnybar resurs.
Heliumgluter och Heliumbrist
1925 inrättade Förenta staterna National Helium Reserve för att fungera som en strategisk leverans av helium för användning i luftskepp och för andra försvarsändamål. På den tiden producerade landet mycket mer helium än konsumeras. Efter andra världskriget minskade mängden helium som användes som lyftgas, men efterfrågan på helium som en reningsgas vid tankning av raketmotorer och som kylvätska i kärnvapenanläggningar steg. Fortfarande producerades mer helium än konsumeras.
1995 beslutade kongressen att National Helium Reserve inte var nödvändigt och initierade ett program för att sälja helium som en del av Helium-privatiseringslagen från 1996. Under nästan två decennier tillät kongressen att helium skulle kunna säljas till en enorm rabatt till fri marknad priser. Upp till 1/2 av världens efterfrågan på helium möttes genom försäljning från National Helium Reserve. Under några år exporterades mer helium ut från Förenta staterna till andra länder än konsumeras inhemskt. De som köpte helium från regeringen fick en fantastisk affär, och de som köpte helium på den fria marknaden betalade ett mycket högre pris.
Dumpning av National Helium Reserve-aktierna på marknaden försvagade priset på helium så mycket att det användes som ett billigt ersättare för argon och andra gaser som har ett mycket mindre begränsat utbud.
Eftersom kommersiell heliumproduktion inte belönades eller utnyttjades kraftigt, tillhandahölls marknaden då National Helium Reserve-försäljningen ersattes av ett auktionssystem 2014. Under den första auktionen köpte två anbudsgivare hela den årliga fördelningen av 93 miljoner kubikfot helium till mer än dubbelt tidigare års marknadspris. Efter auktionen såldes ytterligare 1 miljard kubikfot till samma två anbudsgivare.
Sedan den första auktionen fortsatte priset på helium att stiga på grund av att produktionen av nytt helium undviker konsumtionen. Prisökningen har utlöstat investeringar i nya heliumbearbetningsanläggningar. Helium kan emellertid endast produceras från naturgasfält med salt eller anhydrat som fällberg. Dessa förekommer bara i några få delar av världen.
Enligt nuvarande lag kommer den nationella heliumreserven att säljas ut 2021. Förhoppningsvis kommer de ökande investeringarna i heliumåtervinningsanläggningar att vara tillräckliga för att tillgodose behoven hos heliumkonsumenter när den viktiga heliumkällan är borta.