חשש לפגיעה במדע ובטכנולוגיה בשל הפחתה במלאי גז ההליום

באמריקה, ההליום הולך ונגוז. הפתרון – הגברת המיחזור

היסוד המאפשר לבלונים להתעופף, לקולות להשתנות ולגוף להתרענן הולך ומתכלה כה מהר במאגר העולמי הגדול ביותר, מחוץ לאמרילו, טקסס, עד כדי כך שתכולתו שם צפויה להיעלם לחלוטין בתוך שמונה שנים. ההשפעה הגדולה ביותר של מצב זה הינה על המדע והטכנולוגיה, לדברי ד”ר לי סובוטקה, פרופסור לכימיה ופיסיקה בפקולטה לאומנות ומדעים של אוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס. “השימוש בהליום במדע נרחב ביותר, אך תפקידו החשוב ביותר הינו כחומר-קירור,” אומר סובוטקה, מומחה בכימיה גרעינית ובפיסיקה אשר משתף פעולה במחקריו עם חוקרים ממספר מעבדות לאומיות. ככלל, המשתמשים ה”כבדים” בהליום (He), כדוגמת המעבדות הלאומיות, הינם בעלי תשתיות מתאימות המאפשרות להם למחזר ולהשתמש ביעילות בהליום, אומר סובוטקה. אך אין כך הדבר עבור משתמשים “קלים” רבים אחרים. שימוש נעשה בהליום בתחומים של תהודה מגנטית גרעינית (NMR), ספקטרוסקופיית מסות, ריתוך, ייצור של שבבי מחשב וסיבים אופטיים, בין שאר שימושיו הטכנולוגיים הרבים. נאס”א משתמשת בכמויות שנתיות רבות בכדי לשמור על לחץ קבוע ומבוקר של מלאי הדלקים במעבורות החלל. “הליום הינו משאב-אנרגיה שאינו מתחדש או בעל תחליף. תכונותיו ייחודיות ושלא כמו במקרה של דלקים פחמימניים (דלק או גז טבעי), אין דרכים ביוסינתטיות להכנת תחליפים שלו. על כולם לעשות את המאמץ העליון למחזר אותו,” אומר החוקר.

סחיפה

ההליום הקיים בכדור הארץ נצבר בו ברבות מיליוני השנים כתוצאה מהתפרקות של היסודות הטבעיים אורניום ותוריום. ההתפרקות של יסודות אלו מתקדמת בקצב בלתי-סדיר. לדוגמא, אחד מהאיזוטופים החשובים ביותר לקבלת הליום הינו אורניום-238. במשך כל תוחלת החיים של כדור הארץ רק כמחצית מאטומי האורניום-238 התפרקו, למתן שמונה אטומי הליום מכל אטום אורניום, בתהליך הכללי. התפרקות חלקית ובלתי-עקבית כזו מתרחשת בכל כ- 1000 שנים. בזמן התפרקות האורניום והתוריום חלק מאטומי ההליום המשתחררים נלכד בתוככי מרבצי גז טבעי הקיימים בשכבות גיאולוגיות שונות. חלק מאטומי ההליום שנוצרו מחלחל החוצה ממעטפת כדור הארץ ונסחף אל האטמוספרה, שם הם קיימים בריכוז של ppm 5 (חמישה חלקים למיליון). אולם, הליום זה, וכן כל הליום אחר אשר משתחרר בסופו של דבר לאטמוספרה ע”י המשתמשים בו, נסחף מעלה ובעצם אובד לעד. “כאשר נשתמש בכל ההליום שנצבר במשך כמעט 4.5 מיליארדי שנים בהן קיים כדור הארץ, המלאי שלו יאזל לחלוטין,” אומר סובוטקה.” אין לנו אפשרות לקבל כמויות משמעותיות של הליום מהשמש – שניתן לראות בה מפעל להליום במרחק של כמאה וחמישים מיליון ק”מ – ואף לא מכל מפעל אחר שיוקם ע”פ כדור הארץ. בסופו של דבר, ניתן יהיה לייצר הליום באופן ישיר בכורים של היתוך גרעיני ובאופן בלתי-ישיר בכורים של ביקוע גרעיני, אך הכמויות שיתקבלו בתהליכים אלו מתגמדות לעומת הכמויות שאנו נצטרך. בניגוד ליסודות אחרים, הליום-4 (שני פרוטונים ושני נויטרונים) מתנזל מתחת לטמפרטורה של 4.2 קלווין (269- מעלות צלסיוס), רק ארבע מעלות מעל האפס המוחלט. כאשר מקרבים חפץ להליום נוזלי, אנרגיה מועברת מאותו החפץ להליום ובכך מקררת את החפץ. האנרגיה המשתחררת מהחפץ גורמת לאידוי ההליום. אדי הליום אלו, מסביר סובוטקה, צריכים להילכד ע”י המשתמש לשם מחזורם ושימוש עתידי בהם. רוב אספקת ההליום העולמית מגיעה ממרבצים הקיימים בשולי מדינת טקסס. המדענים אפילו לא התחילו לחשוב על מיצוי הליום מהאוויר כיוון שהעלויות של תהליך כזה גבוהות ביותר.

מתבודד, מורד

גם מימן וגם הליום, שני היסודות הראשונים בטבלה המחזורית, נפוצים ביותר ביקום (קרוב ל- 92% ו- 8% מכלל האטומים, בהתאמה). ההליום נדיר בכדור הארץ, בעוד המימן נפוץ מאוד. הסיבה לכך הינה כי ההליום הוא מתבודד ומורד, ואינו חובר לאטומים אחרים בעוד המימן עושה כן. המימן הוא אחד משני היסודות המרכיבים את המים. בתנאים תקניים, אין צורות מולקולאריות או משולבות של הליום. “הוא האציל ביותר מבין הגזים הקיימים, כלומר הוא יציב ובלתי-פעיל ביותר, ברוב המקרים,” אומר סובוטקה. ” ההליום הינו בעל תצורה אלקטרונית סגורה, כלומר – האטומים שלו הדוקים ודחוסים. אם מנסים להוציא אלקטרון מאטום ההליום צריכים להשקיע אנרגיה רבה ביותר לשם כך. אנרגיית היינון שלו (האנרגיה המזערית שיש להשקיע על מנת לשחרר אלקטרון מהאטום) גבוהה ביותר. חמדנות זו של ההליום לאלקטרונים שלו היא שמונעת מבעדו לחבור לאטומים אחרים.” בנוסף למרבץ בטקסס, ניתן למצוא הליום באזורים מצומצמים יותר בקולוראדו, קנזס ואוקלהומה. כמו-כן הוא משווק באוסטרליה ואלג'יר. לרוסיה יש את מרבצי הגז הטבעי הנרחבים בעולם, שם בטוח קיימים מאגרי הליום. עדיין אין מוטיבציה לשווק כמויות רבות של הליום, כיוון שבטווח הקצר, לעת עתה, ההיצע מספיק, אך המחיר למוצר זה הולך ועולה במהירות. סובוטקה מאמין כי רוסיה תהפוך לספק ההליום המרכזי בעולם בתוך שלושים השנים הקרובות. המחיר של הליום נוזלי כיום הינו 5 דולרים לליטר, כאשר מחיר זה הינו לאחר העלאה של חמישים אחוזים בערכו במהלך השנים האחרונות בשל מה שסובוטקה מכנה “כלכלה שגרתית”. הוא מייחס זאת לפרישתן של חברות אחדות מהשוק, להופעתן של אחרות שעדיין לא מייצרות את ההליום והמוטיבציה שמאחורי מחירים גבוהים וכן למצאי הנמוך, בינתיים, של יסוד זה. ייצור הליום בארה”ב החל מיד לאחר מלחמת העולם הראשונה, כאשר השימוש העיקרי לגז זה היה עבור ספינות אוויר. מאחר והליום אינו-דליק, שימושו בבלונים מנע מקרים נוספים כדוגמת אסון הינדנבורג (ספינת אוויר גרמנית, תוצרת צפלין שנשרפה לחלוטין בעת ניסיון נחיתה בניו ג'רזי שבארצות הברית, ב-6 במאי 1937. בשריפה נהרגו 36 בני אדם: 13 נוסעים, 22 אנשי צוות ואיש צוות קרקע אחד. 62 בני אדם נוספים שהיו על הספינה ניצלו). ממשלת ארה”ב ניהלה את תעשיית ההליום במשך 70 שנים, אך מאז אמצע שנות התשעים עיקר הייצור הועבר לחברות הדלק והגז הטבעי.

האמת כפשוטה

“לממשלות יש את החזון הנכון לאגור הליום, והשאלה כעת היא: האם לתעשייה יהיה את החזון ללכוד אותו כאשר שואבים גז טבעי, ולצרכנים את התבונה למחזר אותו?” אומר סובוטקה. “לשם כך יש צורך בחזון ארוך-טווח מכיוון שכוחות השוק הנוכחיים אינם מספיקים בכדי לאלץ שימוש מושכל במלאי ההליום הנוכחי.” ההליום משמש בתפקיד משני בשוקי הדלק והגז הטבעי, ומרביתו הולכת לאיבוד בתהליך שבו מרחיקים חנקן והליום בלתי-דליקים מהתוצר הראשי. “כאשר הם מחדירים את צינור השאיבה אל תוככי האדמה לשם הוצאת הדלק והגז, ההליום משתחרר גם הוא, ואם לא לוכדים אותו הוא מתנדף לאוויר ומתבזבז לשווא,” אומר סובוטקה.” הפקת הליום הינה תעשיה צדדית לתעשיית הדלק והגז הטבעי, מאמץ משני שאף אחד לא מוכן להשקיע בו ממון.” בינתיים, מעבדות ברחבי בעולם יצטרכו להתאמץ יותר לשם השמירה על ההליום. הן יוכלו להשתמש באחת מהדרכים הבאות: 1) שימוש במכונות זולות הקרויות מַנְזֵלות (liquefiers) המאפשרות ללכוד, לאחסן ולנזל הליום בו במקום, או 2) החוקרים יוכלו לקחת הליום ממוחזר בצורה גזית, להחזירו לחברה שמכרה להם אותו מלכתחילה ולקבל החזר כספי, בדומה לפיקדון על בקבוקים שונים. “חובה עלינו לחשוב על סוגיות אלו,” הוא אומר. “עד עתה, הסוגיה לא הייתה מספיק חשובה כדי להעלותה לדיון באופן תכוף – זוהי בעיה עבור דור המדענים הבא. אך היא מחייבת אותנו להצמיח חזון ולבטא את האמת כפשוטה – ההליום הוא משאב בלתי-מתחדש באופן נוקשה יותר מאשר דלק או גז טבעי.”

לידיעה באתר אוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס