الخوف من الأضرار التي تلحق بالعلم والتكنولوجيا بسبب انخفاض مخزون غاز الهيليوم

في أمريكا، الهيليوم ينفد. الحل – زيادة إعادة التدوير

إن العنصر الذي يسمح للبالونات بالتحليق وتغيير الأصوات وانتعاش الأجسام ينضب بسرعة كبيرة في أكبر خزان في العالم، خارج أماريلو بولاية تكساس، بحيث من المتوقع أن تختفي محتوياته بالكامل في غضون ثماني سنوات. التأثير الأكبر لهذا الوضع هو على العلوم والتكنولوجيا، بحسب الدكتور لي سوبوتكا، أستاذ الكيمياء والفيزياء في كلية الآداب والعلوم بجامعة واشنطن في سانت لويس. يقول سوبوتكا، خبير الكيمياء والفيزياء النووية الذي يتعاون في أبحاثه مع باحثين من عدة مختبرات وطنية: "إن استخدام الهيليوم في العلوم واسع النطاق للغاية، لكن دوره الأكثر أهمية هو استخدامه كمبرد". وبشكل عام، فإن مستخدمي الهيليوم "كثيرًا"، مثل المختبرات الوطنية، لديهم بنى تحتية مناسبة تسمح لهم بإعادة تدوير الهيليوم واستخدامه بكفاءة، كما يقول سوبوتكا. ولكن هذا ليس هو الحال بالنسبة للعديد من المستخدمين "الخفيفين" الآخرين. ويستخدم الهيليوم في مجالات الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، والتحليل الطيفي الشامل، واللحام، وإنتاج رقائق الكمبيوتر والألياف الضوئية، من بين العديد من الاستخدامات التكنولوجية الأخرى. تستخدم ناسا كميات كبيرة سنويًا للحفاظ على ضغط ثابت ومتحكم لمخزونات الوقود في المكوكات الفضائية. "الهيليوم هو مصدر طاقة غير قابل للتجديد أو الاستبدال. خصائصه فريدة من نوعها وعلى عكس حالة الوقود الهيدروكربوني (الوقود أو الغاز الطبيعي)، لا توجد طرق حيوية لإعداد بدائله. يقول الباحث: "يجب على الجميع بذل أقصى جهد لإعادة تدويرها".

المغزى

لقد تراكم الهيليوم الموجود على الأرض على مدى ملايين السنين نتيجة لتحلل العنصرين الطبيعيين اليورانيوم والثوريوم. ويتقدم تحلل هذه العناصر بمعدل غير منتظم. على سبيل المثال، أحد أهم النظائر للحصول على الهيليوم هو اليورانيوم 238. خلال كامل عمر الأرض، اضمحلت حوالي نصف ذرات اليورانيوم 238 فقط، مما أعطى ثماني ذرات هيليوم من كل ذرة يورانيوم، في العملية العامة. ويحدث مثل هذا التفكك الجزئي وغير المتسق كل 1000 عام أو نحو ذلك. أثناء تحلل اليورانيوم والثوريوم، يتم احتجاز جزء من ذرات الهيليوم التي يتم إطلاقها في رواسب الغاز الطبيعي الموجودة في طبقات جيولوجية مختلفة. تتسرب بعض ذرات الهيليوم من وشاح الأرض وتنجرف إلى الغلاف الجوي، حيث تتواجد بتركيز 5 جزء في المليون (خمسة أجزاء في المليون). ومع ذلك، فإن هذا الهيليوم، بالإضافة إلى أي هيليوم آخر يتم إطلاقه في النهاية في الغلاف الجوي بواسطة أولئك الذين يستخدمونه، يتم اكتساحه وفقدانه إلى الأبد. يقول سوبوتكا: "عندما نستخدم كل الهيليوم الذي تراكم على مدار ما يقرب من 4.5 مليار سنة من وجود الأرض، فسوف يتم استنفاد إمداداته بالكامل". وليس لدينا أي إمكانية لاستقبال كميات كبيرة من الهيليوم من الشمس - والتي يمكن اعتبارها مصنعاً للهيليوم على مسافة حوالي مائة وخمسين مليون كيلومتر - ولا حتى من أي مصنع آخر سيتم بناؤه على الأرض. وفي نهاية المطاف، سيكون من الممكن إنتاج الهيليوم بشكل مباشر في مفاعلات الاندماج النووي وبشكل غير مباشر في مفاعلات الانشطار النووي، لكن الكميات التي يتم الحصول عليها في هذه العمليات تتضاءل مقارنة بالكميات التي سنحتاجها. على عكس العناصر الأخرى، يسيل الهيليوم-4 (بروتونان ونيوترونان) تحت درجة حرارة 4.2 كلفن (-269 درجة مئوية)، أي أربع درجات فقط فوق الصفر المطلق. عندما يتم تقريب جسم ما من الهيليوم السائل، تنتقل الطاقة من هذا الجسم إلى الهيليوم وبالتالي يبرد الجسم. تتسبب الطاقة المنطلقة من الجسم في تبخر الهيليوم. يوضح سوبوتكا أنه يجب على المستخدم التقاط أبخرة الهيليوم هذه من أجل إعادة تدويرها واستخدامها في المستقبل. معظم إمدادات الهيليوم في العالم تأتي من الرواسب الموجودة على حافة ولاية تكساس. ولم يفكر العلماء حتى في استخراج الهيليوم من الهواء، لأن تكاليف مثل هذه العملية مرتفعة للغاية.

وحيد، متمرد

يعتبر كل من الهيدروجين والهيليوم، أول عنصرين في الجدول الدوري، شائعين للغاية في الكون (ما يقرب من 92% و8% من جميع الذرات، على التوالي). الهيليوم نادر على الأرض، بينما الهيدروجين شائع جدًا. والسبب في ذلك هو أن الهيليوم معزول ومتمرد، ولا ينضم إلى ذرات أخرى بينما يفعل الهيدروجين. الهيدروجين هو أحد العنصرين اللذين يشكلان الماء. في ظل الظروف القياسية، لا توجد أشكال جزيئية أو مركبة من الهيليوم. ويقول سوبوتكا: "إنه أنبل الغازات الموجودة، مما يعني أنه مستقر وغير نشط في معظم الحالات". "لدى الهيليوم تكوين إلكتروني مغلق، أي أن ذراته ضيقة ومضغوطة. إذا حاولت إزالة إلكترون من ذرة الهيليوم، عليك أن تستثمر الكثير من الطاقة من أجل ذلك. طاقة التأين الخاصة بها (الحد الأدنى من الطاقة التي يجب استثمارها لتحرير إلكترون من الذرة) عالية للغاية. إن جشع الهيليوم لإلكتروناته هو الذي يمنعه من الاتحاد مع ذرات أخرى." بالإضافة إلى رواسب تكساس، يمكن العثور على الهيليوم في مناطق أصغر في كولورادو وكانساس وأوكلاهوما. ويتم تسويقه أيضًا في أستراليا والجزائر. تمتلك روسيا أكبر مخزون من الغاز الطبيعي في العالم، حيث من المؤكد وجود احتياطيات الهيليوم. لا يوجد حتى الآن أي حافز لتسويق كميات كبيرة من الهيليوم، لأنه على المدى القصير، في الوقت الحالي، العرض كافٍ، لكن سعر هذا المنتج يرتفع بسرعة. ويعتقد سوبوتكا أن روسيا ستصبح المورد الرئيسي للهيليوم في العالم خلال الثلاثين عامًا القادمة. ويبلغ سعر الهيليوم السائل اليوم 5 دولارات للتر الواحد، ويأتي هذا السعر بعد ارتفاع قيمته خمسين بالمئة خلال السنوات القليلة الماضية بسبب ما يسميه سوبوتكا "الاقتصاد الروتيني". ويعزو ذلك إلى انسحاب بعض الشركات من السوق، وظهور شركات أخرى لا تنتج الهيليوم بعد، والدافع وراء ارتفاع أسعاره، فضلاً عن انخفاض أسعار هذا العنصر حتى الآن. بدأ إنتاج الهيليوم في الولايات المتحدة مباشرة بعد الحرب العالمية الأولى، عندما كان الاستخدام الرئيسي لهذا الغاز هو صناعة المناطيد. وبما أن الهيليوم غير قابل للاشتعال، فإن استخدامه في البالونات حال دون وقوع حالات أخرى مثل كارثة هيندنبورغ (منطاد ألماني من صنع زيبلين احترق بالكامل أثناء محاولته الهبوط في نيوجيرسي بالولايات المتحدة في 6 مايو 1937). وأدى الحريق إلى مقتل 36 شخصا: 13 راكبا و22 من أفراد الطاقم وفرد من الطاقم الأرضي، كما تم إنقاذ 62 شخصا آخرين كانوا على متن السفينة). أدارت الحكومة الأمريكية صناعة الهيليوم لمدة 70 عاما، ولكن منذ منتصف التسعينيات تم تحويل معظم الإنتاج إلى شركات الوقود والغاز الطبيعي.

الحقيقة البسيطة

"تمتلك الحكومات الرؤية الصحيحة لتخزين الهيليوم، والسؤال الآن هو: هل سيكون لدى الصناعة الرؤية اللازمة لالتقاطه عند استخراج الغاز الطبيعي، وسيكون لدى المستهلكين الحكمة لإعادة تدويره؟" يقول سوبوتكا. "ولتحقيق هذه الغاية، هناك حاجة إلى رؤية طويلة المدى لأن قوى السوق الحالية ليست كافية لفرض الاستخدام الحكيم لمخزون الهيليوم الحالي". ويستخدم الهيليوم في دور ثانوي في أسواق الوقود والغاز الطبيعي، ويفقد معظمه في عملية إزالة النيتروجين والهيليوم غير القابلين للاحتراق من المنتج الرئيسي. يقول سوبوتكا: "عندما يقومون بإدخال أنبوب الشفط في التربة لاستخراج الوقود والغاز، يتم إطلاق الهيليوم أيضًا، وإذا لم يتم احتجازه فإنه يتبخر في الهواء ويضيع". إن إنتاج الهيليوم هو صناعة جانبية لصناعة الوقود والغاز الطبيعي، وهو جهد ثانوي لا يرغب أحد في الاستثمار فيه". وفي هذه الأثناء، سيتعين على المختبرات في جميع أنحاء العالم أن تعمل بجهد أكبر للحفاظ على الهيليوم. سيكونون قادرين على استخدام إحدى الطرق التالية: 1) استخدام آلات رخيصة تسمى المُسيِّلات التي تسمح بالتقاط الهيليوم وتخزينه وتسييله على الفور، أو 2) سيتمكن الباحثون من أخذ الهيليوم المعاد تدويره في شكل غازي وإعادته إلى الشركة التي باعته لهم في المقام الأول واسترداد أموالهم، على غرار إيداع على زجاجات مختلفة. ويقول: "من واجبنا أن نفكر في هذه القضايا". "حتى الآن، لم تكن هذه القضية مهمة بما يكفي لطرحها للمناقشة بشكل متكرر - وهذه مشكلة للجيل القادم من العلماء. لكن ذلك يتطلب منا أن نبني رؤية ونعبر عن الحقيقة ببساطة، فالهيليوم مورد غير متجدد بطريقة أكثر صرامة من الوقود أو الغاز الطبيعي.

للحصول على معلومات على الموقع الإلكتروني لجامعة واشنطن في سانت لويس