Hel wziął swoją nazwę od Heliosa – greckiego boga Słońca. A to dlatego, że odkryto go podczas astronomicznej obserwacji widma promieniowania słonecznego. W 1868 r. dwaj astronomowie, Francuz Pierre Janssen i Anglik Joseph Norman Lockyer, niezależnie od siebie zaobserwowali żółtą linię na widmie spektralnym Słońca, której nie mogli przypisać żadnemu znanemu wówczas pierwiastkowi. Na Ziemi hel odkryto dopiero ponad ćwierć wieku później. Przy podgrzewaniu rudy uranu wyodrębniono gaz szlachetny o linii spektralnej dokładnie pasującej do pierwiastka zidentyfikowanego w koronie Słońca.
Zasoby helu skąpe i nieodnawialne
Hel jest drugim po wodorze najlżejszym gazem. Wypuszczony w powietrze, trafia w górne warstwy atmosfery i ulatnia się w przestrzeń kosmiczną. Stanowi aż 1/4 materii wszechświata i jest drugim – znowu po wodorze – najobficiej występującym pierwiastkiem w kosmosie. W przeciwieństwie do wodoru, obecnego w cząsteczkach wody i innych związkach organicznych, jego ziemskie zasoby są jednak nader skąpe i nieodnawialne.
Hel powstaje w głębi Ziemi jako izotop w procesach rozpadu pierwiastków promieniotwórczych: toru i uranu. Rozpuszcza się w wodach gruntowych i z nimi przenika do złóż gazu ziemnego, gdzie ulega wiązaniu. Odzyskuje się go poprzez oczyszczanie zaazotowanego gazu ziemnego. Stężenie helu w gazie ziemnym waha się od setnych części procenta do kilku procent, przy czym opłacalną granicą odzysku helu jest stężenie min. 0,2 proc.
Hel nie służy bynajmniej tylko do napełniania balonów urodzinowych i reklamowych. Odgrywa kluczową rolę w wielu zaawansowanych technologicznie aplikacjach. Najszerzej jest stosowany w kriogenice, gdyż utrzymuje się w stanie ciekłym w ultraniskich temperaturach. Przy temperaturze wrzenia -268,9°C (zaledwie cztery stopnie powyżej zera bezwzględnego) jest najzimniejszym ze wszystkich pierwiastków, co czyni go najlepszym chłodziwem na świecie. Stosuje się go do schładzania rtęci, arsenu, niobu i innych pierwiastków do temperatur, w których tracą one opór elektryczny, stając się nadprzewodnikami. Chociaż istnieją związki chemiczne, które (jak np. tlenki miedzi) osiągają stan nadprzewodnictwa w znacznie wyższych temperaturach, to w przeciwieństwie do obojętnego chemicznie („szlachetnego”) helu wchodzą one w reakcje z innymi pierwiastkami i dlatego ich zastosowanie jest ograniczone.
Zastosowania w technologii
Helem schładza się nadprzewodniki w akceleratorach, które – jak słynny Wielki Zderzacz Hadronów w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych (CERN) pod Genewą – rozpędzają naładowane elektrycznie cząstki subatomowe do prędkości bliskich prędkości światła w próżni. Najwięcej helu (nawet 30 proc.) zużywa się jednak do chłodzenia magnesów nadprzewodzących w skanerach do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI).
Poza nadprzewodnikami hel jest niezbędny w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD), światłowodach i półprzewodnikach. Niedawno odkryto, że użycie helu pozwala też zwiększyć pojemność twardych dysków i zmniejszyć pobór energii, co otwiera nowe, wielkie pole eksploatacji. Giganci high-techu, tacy jak Google, Netflix czy Amazon, konsumują ogromne ilości helu do utrzymania swoich centrów danych. Wysokie technologie już teraz nie mogą obejść się bez helu, a to zapotrzebowanie wzrośnie tysiąckrotnie, gdy wejdziemy w erę ultraszybkiego przesyłu danych w technologii 5G, która umożliwi realizację idei Smart City i Internetu Rzeczy.
Polskie Ministerstwo Energii przyjęło program rozwoju wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych chłodzonych gazem (HTGR). Stanowią one odmianę małego reaktora jądrowego (SMR) i w przyszłości mają pokrywać krajowe zapotrzebowanie na ciepło przemysłowe o temperaturze do 700°C, zastępując wyeksploatowane kotły gazowe i węglowe. Reaktor HTGR pracuje w znacznie wyższej temperaturze, niż reaktory wodne, a do chłodzenia wykorzystuje właśnie hel. Po pierwsze, jako gaz bierny chemicznie nie reaguje on z paliwem ani elementami rdzenia reaktora, więc łatwo jest dokładnie mierzyć i kontrolować jego ciśnienie w reaktorze. Po drugie, dzięki ultraniskiej temperaturze wrzenia wykazuje wysokie przewodnictwo cieplne.
W świetle sukcesów programu SpaceX Elona Muska wraca perspektywa regularnych lotów na orbitę okołoziemską, a wraz z nimi zapotrzebowanie na hel używany do utrzymywania ciśnienia w zbiornikach paliwa rakiet kosmicznych, a także w instrumentach satelitarnych, w naddźwiękowych tunelach aerodynamicznych.
Powoli acz zdecydowanie do gry wracają też zapomniane sterowce. Ich wypełniaczem jest hel jako gaz lżejszy od powietrza. Teoretycznie mógłby go zastąpić wodór, który jest jeszcze lżejszy, ale jego łatwopalność wyklucza wykonywanie załogowych lotów. Trudno wyobrazić sobie, że sterowce zajmą miejsce samolotów pasażerskich, bo tak się nie stanie. Ale już w transporcie ładunków z powodzeniem mogłyby wyrugować paliwożerne i emisjogenne odrzutowce.
Wreszcie hel wykorzystuje się w butlach do nurkowania (do oddychania pod wodą stosuje się mieszankę tlenu z helem zamiast z azotem), do wykrywania nieszczelności instalacji oraz jako gaz osłonowy w spawalnictwie (chroni obszar spawania przed warunkami atmosferycznymi, a konkretnie gazami, takimi jak tlen, azot i para wodna).
Polska w gronie producentów helu
Ciekły hel wytwarza tylko 20 zakładów w sześciu krajach: USA, Katarze, Algierii, Australii, Rosji i – co godne uwagi – w Polsce. Nasz kraj jest jedynym eksporterem helu w Unii Europejskiej. Odzysk i skraplanie helu odbywa się w zakładzie PGNiG w wielkopolskim Odolanowie. Światowym potentatem produkcji tego surowca (ponad 50 proc. rynku) pozostają USA (Teksas, Kansas, Colorado, Utah i Wyoming). W Rosji i w Polsce przeważa gaz ziemny o zawartości helu 0,1 proc., a oddzielenie takiej ubogiej mieszanki jest znacznie droższe. Dla porównania USA dysponują złożami gazu ziemnego o zawartości min. 0,3 proc. helu.
Pierwsza instalacja do odzysku helu powstała w 1915 r. na polu naftowym Petrolia Oilfield w Teksasie. Ustawą z 1925 r. Kongres powołał do życia Narodową Rezerwę Helu w Amarillo w Teksasie i wprowadził zakaz wywozu helu poza terytorium USA. Wszystko po to, aby zapewnić zapasy tego gazu dla sterowców i marynarki wojennej. W latach powojennych dostęp do helu był niezbędny do prowadzenia wyścigu kosmicznego, który był istotnym elementem zimnej wojny.
W 1960 r. amerykańska Ustawa o Helu została znowelizowana i pięć prywatnych firm uzyskało koncesje na wydobywanie helu, który był jednak ciągle magazynowany w Narodowej Rezerwie Helu. Dopiero w 1996 r. władze rozpoczęły proces prywatyzacji sektora, wyprzedając zasoby z Amarillo na aukcjach. Posunięcie to miało z jednej strony pozwolić odzyskać i spłacić pierwotny koszt zbudowania rezerwy, zaksięgowany jako dług wobec rządu, a z drugiej strony – stworzyć konkurencyjny rynek.
To ostatnie się nie udało, ale to nie jedyny powód, dla którego decyzja o likwidacji Narodowej Rezerwy Helu od początku była krótkowzroczna i błędna. Program helowy był wielkim osiągnięciem. Zapewnił on USA zapasy pierwiastka, którego strategiczne znaczenie ujawnia się w miarę rozwoju wysokich technologii cyfrowych i medycyny. W 2013 r. kongresmeni poszli po rozum do głowy i przegłosowali wydłużenie żywota Narodowej Rezerwy Helu do końca września 2021 r. I nie ma pomysłu na to, co dalej. Wzrost cen helu na przestrzeni kilku ostatnich lat spowodował, że amerykańscy naukowcy rezygnowali z zarobków, by móc pozwolić sobie na zakup helu do przeprowadzania eksperymentów. Na razie laboratoria finansowane ze środków federalnych otrzymują z Narodowej Rezerwy Helu dotacje na zakup helu z prywatnych rafinerii. Pytanie, co będzie, gdy jej zabraknie. Obecnie około 40 proc. amerykańskiego helu nadal przepływa przez Amarillo, skąd surowiec trafia do prywatnych rafinerii rurociągiem biegnącym z Teksasu do Kansas.
Cena w górę, zapasy – w dół
W 2006 r. hel kosztował 60 dol. za 1000 ft³ (stóp sześciennych) i jego cena systematycznie rosła: w 2010 r. do 75 dol., w 2016 r. do 100 dol., a w 2018 r. skoczyła o 135 proc. do 280 dol. w porównaniu z 2017 r. Z powyższego wynika, że w ostatnim dziesięcioleciu cena helu wzrosła o ponad 250 proc. Niedobory helu chwilowo złagodziła pandemia COVID-19, lecz w miarę wychodzenia z kryzysu i powrotu poszczególnych gałęzi przemysłu do normalnych poziomów aktywności, problem znowu się uwidoczni. Według raportu pt. „Helium Global Market Report 2020” w 2019 r. globalny rynek helu był warty 10,6 mld dol. Oczekuje się, że w kolejnych latach będzie on rósł w tempie 11 proc. rocznie.
W 2016 r. United States Geological Survey (federalna agencja geologiczna) szacowała, że w ciągu roku amerykańskie zasoby helu ubożeją o 0,5 proc. Raz użyty hel jest nie do odzyskania, ponieważ ulatuje w wysokie partie atmosfery, a sztuczna synteza nie jest możliwa. Nie istnieje substytut helu. Biorąc pod uwagę niepewność związaną z zapewnieniem zapasów helu przyszłym pokoleniom, być może trzeba zrewidować podejście do jego wykorzystania i wykluczyć te zastosowania, które nie są niezbędnie konieczne. Jedyne, co wchodzi w grę, to balony urodzinowe i reklamowe. Wszystkie inne aplikacje służą konkretnym, pożytecznym celom.
Zakładnik porachunków geopolitycznych
O tym, że hel może być zakładnikiem geopolityki, przekonaliśmy się trzy lata temu. Gdy w 2017 r. koalicja państw arabskich zablokowała granice z Katarem, zostało odciętych 30 proc. światowych dostaw helu. Dzięki ogromnemu przemysłowi skroplonego gazu ziemnego Katar jest drugim producentem helu na świecie. Z kolei napięcia na linii Waszyngton-Pekin sprawiły, że Chiny, które z oczywistych względów wykazują ogromny popyt na hel i niemal w całości sprowadzają go z USA lub amerykańskich rafinerii w innych krajach, zrobiły pierwszy krok w kierunku zmniejszenia zależności od importu.
Chińskie złoża gazu ziemnego zawierają tylko śladowe ilości helu, co oznacza, że jego rektyfikacja jest zbyt kosztowna, aby można było prowadzić ją masowo. A jednak w lipcu 2020 r. Chiny otworzyły pierwszy zakład, który będzie produkował ciekły hel na skalę komercyjną w ilości 20 ton rocznie. To niewiele w porównaniu z zapotrzebowaniem, wynoszącym ponad 4300 ton. Nietrudno zgadnąć, że decyzja zapadła na tle wojny handlowej z USA. Póki co ma ona wymiar czysto symboliczny, bowiem w nadchodzących latach Chiny nadal będą uzależnione od amerykańskiego helu. Co prawda Katar i Australia zwiększyły produkcję w ostatnich latach, ale ich zakłady są w większości własnością amerykańskich firm. Rosja również produkuje hel, ale w tak niewielkich ilościach, że nie jest w stanie zaspokoić rosnącego popytu z Państwa Środka. Chińczycy oceniają, że będą potrzebowali co najmniej 10 lat, aby osiągnąć samodzielność. Pytanie, czy nie lepiej zwiększyć import i zgromadzić strategiczne rezerwy.
Nowe odwierty napawają nadzieją
Niezastąpioność w połączeniu z rzadkością czyni hel cenniejszym od złota. Prognozy geologów dotyczące dostępności helu dla przyszłych pokoleń są niestety pesymistyczne. Szacuje się, że przy obecnym wydobyciu i zużyciu helu starczy go jeszcze na 30 lat. Nadzieja w tym, że w czeluściach Ziemi drzemie więcej zasobów tego pierwiastka. Dzisiaj wiemy, że szykuje się rozbudowa instalacji skroplonego gazu ziemnego (LNG) z produktem ubocznym w postaci helu w Katarze i Algierii. Do połowy przyszłego roku rosyjski Gazprom ma uruchomić na Syberii całkowicie nowy zakład przetwarzania gazu ziemnego i produkcji helu. Brytyjska firma Helium One zbiera fundusze na rozpoczęcie eksploracji helonośnych złóż gazu ziemnego, odkrytych pięć lat temu w Tanzanii. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, wiercenie rozpocznie się w przyszłym roku, a produkcja ruszy za 3-4 lata.
Autorka: Grażyna Śleszyńska
