Brist på ädelgasen helium

- men nya fyndigheter ger hopp

Helium är ett unikt grundämne med egenskaper som inget annat grundämne har. Det är bland annat det enda som kan kyla ner viss utrustning till de extremt låga temperaturer som krävs för supra­ledning. Förutom det brandfarliga vätet är det också det enda grundämne som är lättare än luft.
Eftersom det är universums näst vanligaste grundämne så borde det inte råda någon brist på det. Men på jorden är det sällsynt och svårfångat, och för något år sedan såg vi ut att gå mot en heliumkris. Det förändras av nya, enorma fyndigheter i Afrika.

Helium har många intressanta egenskaper, där den kanske mest kända är att det är lättare än luft. Lyftkraften är inte alls lika stor som för det ännu lättare vätet, men eftersom helium inte är brandfarligt är det ett bättre alternativ i ballonger och luftskepp.

Helium har många intressanta egenskaper, där den kanske mest kända är att det är lättare än luft. Lyftkraften är inte alls lika stor som för det ännu lättare vätet, men eftersom helium inte är brandfarligt är det ett bättre alternativ i ballonger och luftskepp.

Det är i stjärnorna det händer. Kärnor av det lättaste grundämnet väte slås samman till helium under de extrema förhållanden som råder där. Men redan innan stjärnorna bildades fanns det en del helium i universum. Strax efter big bang var förhållandena ännu mer extrema än i stjärnorna och när energin kondenserades till materia blev omkring 25 procent helium. Så i universum finns lindrigt uttryckt enorma mängder helium. Men på jorden är det helt annorlunda - här är helium ett ganska sällsynt grundämne. Och det är ett problem eftersom ädelgasen används inom många olika områden.

Historiskt har rymdindustrin stått för den mesta heliumkonsumtionen där gasen bland annat används för att trycksätta och rengöra raketers bränsletankar. Under det amerikanska rymdprogrammets mest hektiska dagar gick en fjärdedel av jordens sammanlagda heliumproduktion till raketer.

Helium används också till nedkylning eftersom det i flytande form bara är några ynka grader varmare än den absoluta nollpunkten. I teknik där supraledare används är det i princip bara helium som kan användas för att komma ner till de extremt låga temperaturer som krävs. Och supraledare används i allt från partikelacceleratorer till sjukvårdens MR-kameror.

Dykare som går ner lite djupare än vanliga sportdykare har också ofta helium i sin andningsgas för att undvika djupberusning. Inom sjukvården används också helium till spirometri, underökningar av lungorna.

Det finns många andra användningsområden, till exempel som skyddsgas vid svetsning, i lasrar och i luftskepp. Och givetvis i vanliga småballonger som blir så mycket roligare när de är lättare än luft.

Problemet är att helium som används ofta försvinner ut i atmosfären och där hamnar det högt upp. Så högt att de små heliumatomerna slits loss från jordens atmosfär av solvinden och den kosmiska strålningen och går förlorade för alltid.

Helium har många intressanta egenskaper, där den kanske mest kända är att det är lättare än luft. Lyftkraften är inte alls lika stor som för det ännu lättare vätet, men eftersom helium inte är brandfarligt är det ett bättre alternativ i ballonger och luftskepp.

Helium har många intressanta egenskaper, där den kanske mest kända är att det är lättare än luft. Lyftkraften är inte alls lika stor som för det ännu lättare vätet, men eftersom helium inte är brandfarligt är det ett bättre alternativ i ballonger och luftskepp.

Sällsynt i atmosfären

Det finns inte mer än omkring fem ppm (miljondelar) helium i vår atmosfär, så att utvinna gasen därifrån är inte så lätt. Det vore naturligtvis det bästa eftersom detta helium så småningom kommer att försvinna ut i rymden, men det är en extremt dyr process. Utvinningen av helium sker istället ur naturgas där det kan förekomma i olika höga halter.

Men även det är en ganska komplicerad procedur. Vattenånga, koldioxid och tunga kolväten avlägsnas först, sedan metan och kväve genom så kallad fraktionerad destillation. Till sist renas produkten i tre steg genom kondensation, oxidering och adsorption, där det sista innebär att heliumatomer fastnar på en metallyta vid rätt tryck. Renhetsgraden efter alla processer blir 99,99 procent.

Att utvinna helium på detta sätt kostar bara någon tusendel av vad det kostar att ta det ur atmosfären, men det är trots det ingen billig process. Hur dyrt det blir beror bland annat på hur mycket helium som naturgasen man använder innehåller, och naturgas som innehåller flera procent helium är sällsynt.

I jordens innandöme bildas helium när tunga grundämnen som torium och uran sönderfaller. De små heliumatomerna rör sig sedan uppåt genom berggrunden och försvinner ut i atmosfären och så småningom bort från jorden - om det inte finns något som fångar dem på vägen. Och detta något är alltså naturgas.

De speciella förhållanden som måste råda - sönderfallande tungmetaller i berggrunden och naturgasdepåer ovanför - är sällsynta.

De starka magnetfält som krävs i MR-kameror kan bara åstadkommas med supraledande elektromagneter, och det är bara flytande helium som är kallt nog för att supraledningen ska uppstå. Bild: Jan Ainali

De starka magnetfält som krävs i MR-kameror kan bara åstadkommas med supraledande elektromagneter, och det är bara flytande helium som är kallt nog för att supraledningen ska uppstå. Bild: Jan Ainali

Heliumproducenter

Den största heliumproducenten är USA där 63 miljoner kubikmeter helium utvanns från gasfälten i Texas, Oklahoma, Kansas och Colorado under 2016. Till det kom ytterligare 22 miljoner kubikmeter från det statliga National Helium Reserve i Cliffside utanför Amarillo i Texas. Oljelandet Qatar kom tvåa med 50 miljoner kubikmeter, och Algeriet trea med tio miljoner kubikmeter.

Men källorna sinar och enligt vissa beräkningar räcker de bara omkring 20 år till. Vissa bedömmer att det är optimistiskt - helium kan bli en bristvara fortare än så. I USA har Bureau of Land Management, som förvaltar statlig mark, räknat ut att den amerikanska kommersiella heliumproduktionen kan upphöra redan 2021. Qatar har mer eller mindre fallit bort från marknaden på grund av bojkotten mot landet som påstås ha lite för vänskapliga förbindelser med al-Qaida, IS och andra terrorstämplade organisationer. Algeriets produktion minskar stadigt sedan ett par år och ses inte som en framtida storproducent.

Helt slut tar det förstås aldrig, men om man måste börja använda naturgas med lägre koncentration ökar priset och det kan bli svårt att täcka behovet för alla. Helium visar redan nu tecken på att bli en bristvara.

Men det blir troligen ändring på den saken - nya fyndigheter överträffar till och med det mesta som optimisterna hoppats på.

Partikelacceleratorn LHC (large hadron collider) gör av med en hel del helium för att kyla de supraledande magnetspolarna. Här är tankarna med helium. Bild: Leo Koivulehto

Partikelacceleratorn LHC (large hadron collider) gör av med en hel del helium för att kyla de supraledande magnetspolarna. Här är tankarna med helium. Bild: Leo Koivulehto

Bristen avvärjd

Förra året upptäcktes stora underjordiska helium­reserver i Tanzania, närmare bestämt i delar av Rift Valley, det stora gravsänkesystem som uppkommit på grund av att den afrikanska och den arabiska kontinentalplattan rör sig bort från varandra. Man bedömde då att det handlade om 1,5 miljarder kubikmeter naturgas med ett heliuminnehåll på 2,6 procent. Och det lät både bra och välkommet eftersom det motsvarar en tredjedel av världens heliumreserver.

Nasa:s nu pensionerade rymdfärjor hade en stor extern tank med flytande väte och flytande syre som brändes under starten. Det hände flera gånger att läckor konstaterades under påfyllning - och då var det bara att tömma tanken och göra ren den med stora mängder helium innan läckan kunde tätas.

Nasa:s nu pensionerade rymdfärjor hade en stor extern tank med flytande väte och flytande syre som brändes under starten. Det hände flera gånger att läckor konstaterades under påfyllning - och då var det bara att tömma tanken och göra ren den med stora mängder helium innan läckan kunde tätas.

Men sedan dess har bland annat forskare från Oxford gjort mer grundliga analyser och tagit entusiasmen till nya höjder. Naturgasvolymen skrevs upp till 2,8 miljarder kubikmeter och heliuminnehållet till uppemot tio procent.

Med sådana mängder kan heliumbristen skjutas många år på framtiden, och redan inom tre år ska produktionen i Afrika vara igång. I alla fall om man får tro på det portugisiska företaget Helium One som planerar anrikningsanläggningar i Tanzania. Men först ska nya provborrningar göras under sommaren 2018.

Fakta: 
Från ballonger till fusion
Helium finns naturligt i två olika former - helium-3 och helium-4. Den helt övervägande isotopen är helium-4 som har två protoner och två neutroner i kärnan. Helium-3 har bara en neutron och finns mer sparsamt. Andra isotoper med tre eller flera neutroner kan åstadkommas på artificiell väg, men de är instabila.

Helium finns naturligt i två olika former - helium-3 och helium-4. Den helt övervägande isotopen är helium-4 som har två protoner och två neutroner i kärnan. Helium-3 har bara en neutron och finns mer sparsamt. Andra isotoper med tre eller flera neutroner kan åstadkommas på artificiell väg, men de är instabila.

Helium blev känt under 1800-talets andra hälft sedan den franske astrofysikern Jules Janssen under en solförmörkelse 1868 först upptäckt okända spektrallinjer i solens spektra och de båda brittiska astronomerna Norman Lockyer och Edward Frankland slagit fast att det var ett nytt grundämne. Det fick namnet helium efter det grekiska ”helios”, solen. 1895 lyckades den brittiske kemisten William Ramsey framställa helium i laboratorium genom att lösa en sorts  mineral med uran i syra.

 

Upptäckten av heliumfyndigheter i naturen gjordes första gången 1905 då det visade sig att en källa med naturgas i Dexter i Kansas innehöll omkring två procent av gasen.
Tre år senare lyckades holländaren Heike Kamerlingh Onnes efter ihärdigt experimenterande att framställa flytande helium med hjälp av en värmeväxlare, en bedrift för vilken han belönades med 1913 års Nobelpris i fysik.

 

Under första världskriget fick helium militär användning som lyftgas i luftskepp och spärrballonger. Hindenburgkatastrofen utanför New York den 6 maj 1937 satte till en del punkt för utvecklingen av zeppelinare, men den hade kunnat undvikas om inte USA:s heliumembargo tvingat tyskarna att använda brandfarlig vätgas.

 

1960 började det amerikanska inrikesdepartementet att köpa upp helium av privata producenter för lagring i en tömd gaskälla i Cliffside utanför Amarillo, men då konsumtionen var för låg blev reserven snart överdimensionerad och regeringen fick bryta köpeavtalen.

 

Sedan 1970-talet har användningen av helium i modern teknik, som MR-kameror, teleskop, partikelacceleratorer, olika slags avancerade mätinstrument och annat, ökat. Troligen kommer heliumbehovet att öka ännu mer, särskilt om det blir verklighet med fusionskraft där extremt starka, supraledande magneter är en central tokamaktekniken som det satsas hårdast på.

Helium
Ädelgasen helium bildas nere i jordskorpan när tunga atomkärnor som uran och torium sönderfaller. Heliumatomerna rör sig uppåt och eftersom de är så små kan de passera genom det mesta material de stöter på. Om det råkar finnas depåer med naturgas, och ovanför dem täta sedimentära bergarter, så kan heliumet fångas i gasen.

Material från
Allt om Vetenskap nr 2 - 2018

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter