Un de nos techniciens se plaignait de l’hélium. En particulier, l’hélium liquide. Il s’avère que l’un des instruments qui en avait besoin était bas et qu’il avait du mal à en obtenir plus. Ma première réponse a été – bien sûr, vous ne pouvez pas l’obtenir à cause des problèmes budgétaires. Non, on a l’argent pour l’hélium. Au lieu de cela, il y a une pénurie d’hélium. Vraiment, ce n’est pas une bonne nouvelle. Pourquoi?
Ok, laissez-moi poser quelques questions et ensuite y répondre moi-même. Pour certaines de ces questions et réponses, je ne donne qu’une réponse approximative. Il devrait être clair que je ne suis pas un expert en hélium. Je le sais. Si vous respirez des poumons pleins d’hélium et que vous courez ensuite dans le couloir pour surprendre quelqu’un avec votre voix aiguë, vous vous évanouirez. Pas vrai Scott?
Pourquoi y a-t-il une pénurie d’hélium?
Honnêtement, je ne connais pas tous les détails. Une partie de la réponse dépend de la politique. Les États-Unis ont une réserve nationale d’hélium à Amarillo au Texas. Cependant, la Loi sur la privatisation de l’hélium de 1996 visait à commencer à vendre cela. Le résultat est qu’il n’y a pas autant d’hélium dans la réserve.
En plus de cela, certains producteurs d’hélium ont eu leurs propres problèmes d’approvisionnement. Ces deux problèmes ensemble signifient qu’il n’y a pas autant d’hélium à faire circuler.
D’où vient l’hélium de toute façon ?
Vous pouvez généralement trouver de l’hélium dans des endroits où vous trouvez du gaz naturel. Le problème est qu’il peut être difficile d’extraire l’hélium de l’autre gaz. C’est plus facile lors de l’extraction de gaz naturel « sec » (je ne connais vraiment pas la différence entre le gaz sec et le gaz non sec – je ne fais que suivre ce qu’on m’a dit). Cependant, ce sont les entreprises énergétiques qui obtiennent généralement du gaz naturel. Pour eux, ils veulent le gaz naturel « humide ». Donc, cela fait partie du problème avec l’obtention d’hélium.
Cela signifie-t-il plus de ballons d’anniversaire?
En termes d’utilisation totale d’hélium, la quantité utilisée dans les ballons d’anniversaire est assez faible. Des utilisations beaucoup plus importantes sont pour les ballons météorologiques et le refroidissement des objets avec de l’hélium liquide. Cependant, la plupart des gens conviendraient probablement qu’en période de pénurie, les ballons d’anniversaire sont assez peu prioritaires. Alors, oui, vous aurez du mal à trouver de l’hélium pour vos ballons. Je suppose que vous pourriez les remplir d’hydrogène gazeux.
Qu’en est-il de l’hélium liquide?
La principale raison d’utiliser de l’hélium liquide est qu’il fait froid. Super froid. À la pression atmosphérique normale, l’hélium liquide bout à une température de seulement 4,2 Kelvins (-452,11 Fahrenheit). Ouais. C’est froid. Qu’est-ce qui a besoin de quelque chose d’aussi froid? Aimants super conducteurs. Pour certains matériaux, lorsque vous les obtenez suffisamment froids, la résistance du matériau passe à zéro ohms. Cela signifie que vous pouvez y faire passer du courant et que le matériau agira comme un aimant. Pas n’importe quel aimant, mais un aimant super puissant.
Qui a besoin d’un super aimant ? Les deux utilisations les plus courantes sont la Spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) et l’Imagerie par résonance Magnétique (IRM). Disons simplement (pour l’instant) que les instruments de RMN et d’IRM utilisent de grands champs magnétiques pour interagir avec les propriétés nucléaires de l’échantillon. Ce faisant, vous pouvez obtenir des données spatiales (en IRM) ou des données de composition (RMN). Je sais que c’est probablement une réponse terrible, mais cela devrait suffire pour l’instant.
Que se passe-t-il si vous arrêtez de mettre de l’hélium liquide dans une RMN?
Vous mettez l’hélium liquide dans la RMN et cela maintient l’aimant froid. Bien sûr, il le fait parce qu’une partie de l’hélium fait la transition de phase d’un liquide à un gaz et cela prend de l’énergie. Cette énergie provient de l’aimant qui le fait diminuer en température. Si la chose était parfaitement isolée, il n’y aurait pas de problème. Mais ce n’est pas parfait. Ainsi, l’hélium continue de s’évaporer pour maintenir la température de l’aimant. Pour la RMN de la Southeastern Louisiana University, vous devez ajouter environ 30 litres d’hélium liquide tous les deux mois et demi.
Mais que se passe-t-il si vous ne le faites pas. Cela ne fonctionnera-t-il tout simplement pas? Eh bien, si tu ne le fais pas, de mauvaises choses arrivent. Rappelez-vous, il y a un courant constant dans cet aimant supraconducteur. Il peut garder un courant constant sans source d’alimentation car la résistance est nulle. Quand il se réchauffe, il n’a plus de résistance nulle. Lorsqu’il y a une résistance, il y a une augmentation de l’énergie thermique qui augmente la résistance. Pour notre aimant, 49 kJoules d’énergie sont stockés dans le courant et cette énergie doit aller quelque part lorsque l’aimant se réchauffe. Ce processus est appelé « trempe ». Lorsque l’aimant devient chaud, de plus en plus d’hélium liquide (et généralement il y a de l’azote liquide pour aider à garder l’hélium liquide au frais) bout assez rapidement. Voici un exemple.
Oh – et oui, il existe un moyen de réchauffer l’aimant sans que de mauvaises choses se produisent. Cependant, il n’est pas facile de le remettre en état de fonctionnement.
Comment fabriquez-vous de l’hélium liquide?
Ce n’est pas facile. Vous ne pouvez pas simplement mettre un ballon d’hélium dans un congélateur jusqu’à ce qu’il se transforme en liquide. Eh bien, je suppose que tu pourrais si tu avais un congélateur assez froid. Le problème est que le congélateur devrait être maintenu au froid avec de l’hélium liquide ou quelque chose du genre. Permettez-moi d’expliquer le processus en termes plus simplifiés.
Permettez-moi de commencer par un exemple. Prenez une de ces grandes seringues en plastique. Mettez simplement votre doigt sur l’extrémité et compressez le gaz à l’intérieur. Vous remarquerez peut-être que le tube se réchauffe. Si vous le tenez comme ça pendant un certain temps, le tube (et le gaz à l’intérieur) se refroidiront à température ambiante. Maintenant, retirez le piston pour dilater le gaz. Lorsque le gaz se dilate, il fait plus froid.
Pour l’hélium, vous prenez le gaz et le compressez. Ensuite, vous refroidissez le gaz comprimé et laissez-le se dilater. C’est tout. Continuez à faire ça encore et encore jusqu’à ce que vous ayez assez froid. Il y a quelques astuces, mais c’est l’idée de base.
Ne pourriez-vous pas recycler l’hélium de la RMN ?
Oui, c’est techniquement possible. Cependant, il est également techniquement très coûteux. Vous auriez besoin d’un appareil pour capturer l’hélium lorsqu’il se transforme en gaz. Ensuite, vous devrez le collecter et l’exécuter dans un liquéfacteur d’hélium. Ces liquéfiants sont vraiment chers. Ainsi, la plupart des installations reçoivent simplement plus d’hélium liquide tous les deux mois.
Image: crdotx/Flickr