Helio: Un subproducto del gas natural con propiedades y usos únicos

Las propiedades únicas del helio lo convierten en el gas perfecto para muchas aplicaciones importantes

Dispositivo de helio: La mayoría de la gente ha oído hablar del helio como gas de elevación para globos meteorológicos, dirigibles y globos de fiesta. Estos son usos muy menores del helio. El uso que más helio consume es la refrigeración de los imanes de las máquinas de resonancia magnética en los centros médicos. Foto del dirigible Goodyear por Derek Jensen.

¿Qué es el helio?

El helio es un elemento químico y un gas incoloro, inodoro, insípido e inerte. Tiene el radio atómico más pequeño de todos los elementos y el segundo peso atómico más bajo. Es más ligero que el aire.

La mayoría de la gente sabe que el helio se utiliza como gas de elevación en dirigibles y globos de fiesta, pero no pueden nombrar otra forma en la que se utiliza. El principal uso del helio es como gas refrigerante para las máquinas de resonancia magnética (MRI) utilizadas en las instalaciones médicas. Otros usos importantes del helio son: 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 las mezclas respiratorias presurizadas.

¿De dónde procede el helio?

Hay muy poco helio en la atmósfera terrestre. Es un elemento tan ligero que la gravedad de la Tierra no puede retenerlo. Cuando está presente en la superficie de la Tierra, el helio no confinado empieza a subir inmediatamente hasta que escapa del planeta. Por eso los globos de las fiestas se elevan!

El helio que se produce comercialmente se obtiene del suelo. Algunos yacimientos de gas natural tienen suficiente helio mezclado con el gas como para poder extraerlo a un coste económico. Unos pocos yacimientos en Estados Unidos contienen más del 7% de helio en volumen. Las empresas que perforan en busca de gas natural en estas zonas producen el gas natural, lo procesan y extraen el helio como subproducto.

Yacimientos de gas natural con helio: Modelo de yacimientos de gas natural con helio en Estados Unidos. El helio se produce por la desintegración del uranio y el torio en las rocas granitoides del subsuelo. El helio liberado es flotante y se desplaza hacia la superficie en la porosidad asociada a las fallas del basamento. A continuación, el helio se desplaza hacia arriba a través de la cubierta sedimentaria porosa hasta quedar atrapado con el gas natural bajo lechos de anhidrita o sal. Estos son los únicos tipos de roca lateralmente persistentes que son capaces de atrapar y contener los diminutos átomos de helio que flotan. Esta situación geológica sólo se da en unos pocos lugares del mundo y es la razón por la que las acumulaciones ricas en 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 extrae 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. Al ser un gas muy ligero, es flotante y busca moverse hacia arriba tan pronto como se forma.

Las acumulaciones de helio más ricas se encuentran cuando se dan tres condiciones 1) las rocas granitoides del sótano son ricas en uranio y torio; 2) las rocas del sótano están fracturadas y falladas para proporcionar vías de escape para el helio; y, 3) las rocas sedimentarias porosas por encima de las fallas del sótano están cubiertas por un sello impermeable de halita o anhidrita. [1] 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 todos los elementos, unos 0,2 nanómetros. Por lo tanto, cuando se forma y comienza a ascender, puede pasar por 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 pizarras que tienen sus espacios porosos taponados con abundantes materiales orgánicos (kerógeno) sirven a veces como una barrera menos eficaz.

Yacimientos de gas natural con helio: Mapa que muestra los yacimientos de gas natural que sirven como importantes fuentes de helio en los Estados Unidos. El gas natural producido en estos yacimientos contiene entre un 0,3% y más de un 7% de helio. El helio se extrae del gas para su venta comercial. Imagen de Geology.com con datos de localización del Servicio Geológico de Estados Unidos. [2]

¿Dónde hay gas natural rico en helio?

La mayor parte del gas natural no procesado contiene al menos trazas de helio. Muy pocos yacimientos de gas natural contienen lo suficiente como para justificar un proceso de recuperación de helio. Una fuente de gas natural debe contener al menos un 0,3% de helio para ser considerada como una fuente potencial de helio.

En 2010, todo el gas natural procesado para la obtención de helio en Estados Unidos procedía de yacimientos de 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 Keyes en Oklahoma; los campos Panhandle West y Cliffside en Texas, y el campo Riley Ridge en Wyoming representan la mayor parte de la producción de helio en Estados Unidos. [2]

Durante 2010, Estados Unidos produjo 128 millones de metros cúbicos de helio. De esa cantidad, 53 millones de metros cúbicos de helio se extrajeron del gas natural, y 75 millones de metros cúbicos se retiraron 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 cantidades de helio, pero no se informó de ello. [3]

Helio en máquinas de resonancia magnética: El principal uso del helio es la refrigeración de los imanes de las máquinas de resonancia magnética utilizadas para diagnosticar enfermedades y lesiones en los centros médicos.

Un nuevo uso del helio: En 2013 se fabricó el primer disco duro sellado con helio. El helio permite que la unidad consuma menos energía, produzca menos calor, haga menos ruido, ocupe menos espacio, contenga más datos y produzca menos vibraciones que un disco duro estándar. Aprenda más. Foto copyright iStockphoto / deepblue4you.

Usos del 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, y en unos pocos no hay ningún sustituto adecuado para el helio. A continuación se describen varios usos del helio junto con las propiedades que lo hacen adecuado para el uso.

Resonancia magnética

El principal uso del helio es en las máquinas de resonancia magnética que se utilizan en los centros médicos 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. Dado que el helio tiene el segundo calor específico más bajo de todos los gases y el punto de ebullición/fusión más bajo de todos los elementos, no hay ningún sustituto previsto para el helio en este uso tan importante.

Gas de elevación

El helio tiene el segundo peso atómico más bajo de todos los elementos. Sólo 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 dirigibles y globos. Dirigibles, zeppelines, globos antiaéreos, globos meteorológicos y otras naves más ligeras que el aire han utilizado el helio como gas de elevación. Es mucho más seguro que el hidrógeno porque no es inflamable. Esta fue la categoría más importante de uso del helio hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. Ahora se utilizan cantidades mucho menores de helio 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. Un flujo de helio en estos sistemas se ha utilizado incluso durante emergencias para extinguir incendios. Imagen de la NASA.

Gas de purga

El helio tiene el punto de fusión y ebullición más bajo de todos los gases. Se funde y hierve a temperaturas cercanas al cero absoluto. Como sigue siendo un gas a temperaturas muy bajas, puede utilizarse como gas de purga para los depósitos de combustible y los sistemas de suministro de combustible que se llenan con líquidos muy fríos, como el hidrógeno líquido y el oxígeno líquido. Como es inerte y tiene una baja temperatura de congelación, puede desplazar estos combustibles de forma segura sin congelarse. La NASA y el Departamento de Defensa utilizan grandes cantidades de helio para purgar los sistemas de propulsión de cohetes.

Fabricación en atmósfera controlada

El helio es un gas inerte. El único gas con una reactividad menor es el neón. Esta baja reactividad hace que el helio sea un gas valioso para utilizar en los procesos de fabricación y reparación cuando se requiere una atmósfera inerte. El helio también tiene la segunda densidad más baja de todos los gases, junto con una conductividad térmica muy alta. Estas propiedades del gas helio lo convierten en la atmósfera preferida para muchos procesos metalúrgicos, el cultivo de cristales perfectos en vapores químicos, la fabricación de 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 se escapará. Por lo tanto, el gas helio se utiliza para probar los sistemas de alto vacío, los sistemas de combustible y otras contenciones en busca de fugas.

Mezclas respiratorias de helio: El helio se utiliza para preparar mezclas de gases respiratorios 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 la NOAA.

Mezclas respiratorias

El helio y otros gases inertes se utilizan para preparar mezclas respiratorias para el buceo en aguas profundas y para tratamientos médicos. El helio se utiliza 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 utiliza como atmósfera protectora al soldar. Una atmósfera de gas inerte protege los metales calientes de la oxidación y de otras reacciones que podrían producirse rápidamente a altas temperaturas.

Usos del helio: Cantidades relativas de helio consumidas por diversos usos en Estados Unidos durante 2011. Gráfico realizado por Geology.com con datos del USGS.

Helio: Un recurso no renovable

El helio es un gas que sólo se encuentra donde se da una coincidencia de situaciones poco probables. Aunque se produce continuamente por la desintegración mineral radiactiva en la corteza terrestre, su ritmo de producción y acumulación natural es tan lento que debe considerarse un recurso no renovable.

Exceso y escasez de helio

En 1925, Estados Unidos estableció la Reserva Nacional de Helio para que sirviera como suministro estratégico de helio para su uso en aeronaves y para otros fines de defensa. En aquella época 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 instalaciones de armas nucleares aumentó. Aun así, se producía 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 del Helio de 1996. [Durante casi dos décadas el Congreso permitió que el helio se vendiera con un enorme descuento respecto a los precios del mercado libre. Hasta la mitad de la demanda mundial de helio se cubría con las ventas de la Reserva Nacional de Helio. En algunos años se exportaba más helio de Estados Unidos a otros países que el que se consumía en el país. [Los que compraban helio al gobierno obtenían un trato fantástico, y los que compraban helio en el mercado libre pagaban un precio mucho más alto.

El vertido de las existencias de la Reserva Nacional de Helio en el mercado deprimió tanto el precio del helio que se utilizó como 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 ni utilizada en gran medida, el mercado estaba desabastecido cuando las ventas de la Reserva Nacional de Helio fueron sustituidas por un sistema de subastas en 2014. En la primera subasta, dos licitadores compraron toda la asignación anual de 93 millones de pies cúbicos de helio a más del doble del precio de mercado del año anterior. Tras la subasta, se vendieron otros 1.000 millones de pies cúbicos a los mismos dos licitadores. [5]

Desde la primera subasta, el precio del helio ha seguido subiendo porque la producción de nuevo helio es inferior al consumo. El aumento del precio ha provocado la inversión en nuevas plantas de procesamiento de helio. Sin embargo, el helio sólo puede producirse a partir de yacimientos de gas natural con sal o anhídrido como roca trampa. Estos sólo se dan en algunas partes del mundo.

Según la legislación actual, la Reserva Nacional de Helio se agotará en 2021. Es de esperar que la creciente inversión en plantas de recuperación de helio sea suficiente para satisfacer las necesidades de los consumidores de helio cuando esta importante fuente de helio desaparezca.

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