La prochaine fois que vous ramasserez des ballons pour votre grande fête, n'oubliez pas que l'hélium contenu dans ces ballons est destiné aux étoiles. L'hélium est si léger qu'il échappe facilement à la gravité terrestre, et tout l'hélium finira par se frayer un chemin dans l'espace. Comme les combustibles fossiles, l'hélium est une ressource limitée.
La pénurie d'hélium est devenue un problème aigu pour de nombreux chercheurs. Depuis début 2022, divers facteurs ont exercé des pressions sur le marché mondial de l'hélium, notamment la vente potentielle des réserves publiques d'hélium et des infrastructures de production des États-Unis, les sanctions contre la Russie et une série de pannes dans les usines d'hélium.
Quatre pénuries d'hélium se sont produites au cours de la dernière décennie, et ces perturbations affectent plusieurs industries de haute technologie. Au-delà du gonflage des ballons, l'hélium participe au soudage de certains métaux et à la fabrication de semi-conducteurs.
La recherche en imagerie médicale et en analyse chimique utilise également l’hélium. L'hélium liquide refroidi à -450°F (-268°C) maintient les aimants supraconducteurs des instruments tels que l'imagerie par résonance magnétique, ou IRM, et les systèmes de résonance magnétique nucléaire, ou RMN, au frais.
Les pénuries d’hélium exercent une pression sur de nombreuses industries, et lorsqu’une pénurie survient, les coûts de l’hélium peuvent grimper considérablement. Même les consommateurs peuvent être concernés :les prix des ballons de fête gonflés et des kits de réservoirs d'hélium ont considérablement augmenté.
Les instruments IRM et RMN nécessitent pour fonctionner des champs magnétiques extrêmement puissants. Le moyen le plus efficace de générer ces champs utilise un fil supraconducteur. Un courant électrique supraconducteur génère un champ magnétique et, une fois démarrés, ces courants peuvent continuer pendant des décennies sans apport électrique supplémentaire.
Mais il ya un hic. Sans hélium liquide, les fils chauffent rapidement. Au fil du temps, l’hélium utilisé pour refroidir les aimants s’évapore. La supraconductivité disparaît et le champ magnétique se dissipe.
Plus tôt cette année, le LK-99, un nouveau supraconducteur potentiel à température ambiante, a fait la une des journaux du monde entier. Un tel matériau, s'il était découvert, pourrait éliminer le besoin d'hélium dans les systèmes IRM et RMN.
Jusqu'à présent, le LK-99 n'a pas permis de réaliser une avancée majeure en matière de supraconductivité, bien que les scientifiques soient toujours à la recherche de nouveaux matériaux supraconducteurs.
Jusqu'à ce que les scientifiques trouvent un supraconducteur fonctionnel à température ambiante, les installations d'IRM et de RMN auront besoin d'hélium. Une université ou un hôpital de petite ou moyenne taille peut dépenser 20 000 USD par an en hélium liquide, car ses réserves d'hélium liquide doivent être réapprovisionnées tous les quelques mois.
Les installations de plus grande taille ont besoin de davantage et, au cours des deux ou trois dernières années, le prix de l’hélium a doublé. En conséquence, certaines institutions ont été contraintes de mettre leurs instruments hors tension. Ce processus coupe le champ magnétique, interrompant ainsi l'activité de l'instrument jusqu'à ce que l'installation puisse à nouveau acheter de l'hélium.
Une approche pour remédier à la pénurie d’hélium consiste à rechercher des sources supplémentaires d’hélium. L'hélium est normalement obtenu comme sous-produit du forage de gaz naturel, car l'hélium s'accumule sous terre dans des poches contenant du méthane et d'autres hydrocarbures.
Le méthane est un gaz à effet de serre et la combustion du gaz naturel libère du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Le méthane et le dioxyde de carbone présents dans l'atmosphère contribuent au changement climatique.
Mais des poches d’hélium qui ne sont pas mélangées au gaz naturel pourraient exister dans des endroits souterrains. Des chercheurs en recherche en Afrique ont identifié ce qui pourrait être une réserve importante d'hélium dans la région de Rukwa en Tanzanie.
Au moins deux sociétés tentent activement de localiser ces poches, qui proviennent d'une activité volcanique unique dans la région. Le forage sur ces sites pourrait constituer une alternative plus respectueuse du climat, même si toute forme de forage a des impacts environnementaux locaux.
Début décembre 2023, les niveaux d’hélium trouvés lors du forage de ces poches semblent prometteurs. L'exploration la plus récente révèle des niveaux d'hélium d'au moins 2 à 3 %, soit plus de 1 000 fois les niveaux atmosphériques normaux. Ceci est comparable à d'autres sites de forage qui produisent de l'hélium.
Deux sociétés recherchent actuellement de l’hélium en Afrique et prévoient toutes deux de poursuivre leurs recherches pour des niveaux d’hélium plus élevés. Cependant, des évaluations indépendantes de l'industrie estiment que les nouvelles installations d'hélium pourraient ne pas être mises en service avant 2025 ou plus tard.
Même ainsi, ces efforts ne résolvent pas le problème plus grave :le besoin d'une source d'hélium renouvelable.
Jusqu’à ce que les scientifiques disposent de supraconducteurs fiables à température ambiante ou trouvent un approvisionnement illimité en hélium, la conservation de l’hélium disponible est la meilleure voie à suivre. Heureusement, cela devient plus facile à faire.
Des chercheurs de l’Iowa State University ont commencé à recycler leur hélium dans les années 1960. Depuis lors, cette technologie est devenue moins chère, et la National Science Foundation des États-Unis et les National Institutes of Health des États-Unis ont financé des efforts pour installer des équipements de récupération d'hélium dans des contextes de recherche universitaire.
Ces systèmes sont de plus en plus courants, même dans les petites installations de RMN. Et les scientifiques, y compris les chercheurs de mon laboratoire, s'entraident en partageant leurs expériences en matière d'installation de cet équipement.
Les systèmes de récupération d'hélium comportent trois composants principaux. Premièrement, il existe un système qui transporte l’hélium évaporé des aimants supraconducteurs. Ce composant surveille le taux d'évaporation et assure un flux constant à travers le système.
Deuxièmement, il existe un système de collecte. Pour les grandes installations, il s’agit d’un grand sac flexible. Le sac se dilate à mesure qu’il récupère l’hélium évaporé et le stocke temporairement. Ce sac a la taille d'une petite voiture, et lorsque l'espace est un problème, les petites installations peuvent utiliser des réservoirs d'hélium pour le stockage.
Troisièmement, il existe un système qui reliquéfie l’hélium gazeux. Il s’agit du composant le plus coûteux et il utilise de l’énergie électrique pour refroidir l’hélium. Une fois liquéfié, le personnel de l'installation transfère l'hélium vers les aimants.
Même si la pénurie d’hélium pose d’importants défis, de nombreux scientifiques envisagent l’avenir avec optimisme. Les chercheurs continuent de rechercher des supraconducteurs à température ambiante. De nouvelles installations d’hélium en Tanzanie pourraient augmenter l’offre. Et un accès plus large aux équipements de récupération de l'hélium permet aux scientifiques de conserver cette ressource précieuse.
Fourni par The Conversation
Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l'article original. 
