الهيليوم عنصر كيميائي رمزه He وعدده الذري 2. وهو غاز نادر في الغلاف الجوي، عديم اللون والطعم، غير سام، غير قابل للاشتعال، وقليل الذوبان في الماء. يبلغ تركيز الهيليوم في الغلاف الجوي 5.24 × 10⁻⁴ كنسبة مئوية حجمية. يتميز بأدنى درجات الغليان والانصهار بين جميع العناصر، ولا يوجد إلا في الحالة الغازية، إلا في ظروف شديدة البرودة.

يتم نقل الهيليوم بشكل أساسي على شكل غاز أو سائل ويستخدم في المفاعلات النووية، وأشباه الموصلات، والليزر، والمصابيح الكهربائية، والموصلية الفائقة، والأجهزة، وأشباه الموصلات والألياف البصرية، والتبريد، والتصوير بالرنين المغناطيسي، وأبحاث المختبرات البحثية والتطويرية.

مصدر البرد ذو درجة الحرارة المنخفضة

يُستخدم الهيليوم كمبرد فائق التبريد لمصادر التبريد فائقة التبريد، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، ومسرع الجسيمات الكمومية فائق التوصيل، ومصادم الهادرونات الكبير، ومقياس التداخل الكمومي فائق التوصيل (SQUID)، ورنين الدوران الإلكتروني (ESR)، وتخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES)، ومولدات MHD فائقة التوصيل، والمستشعرات فائقة التوصيل، ونقل الطاقة، والنقل بالقطارات المغناطيسية المعلقة، ومطياف الكتلة، والمغناطيسات فائقة التوصيل، وفواصل المجال المغناطيسي القوي، والمغناطيسات فائقة التوصيل ذات المجال الحلقي لمفاعلات الاندماج، وغيرها من الأبحاث في مجال التبريد الفائق. يُبرد الهيليوم المواد والمغناطيسات فائقة التوصيل إلى ما يقارب الصفر المطلق، وعندها تنخفض مقاومة الموصل الفائق فجأة إلى الصفر. تُولد المقاومة المنخفضة جدًا للموصل الفائق مجالًا مغناطيسيًا أقوى. في حالة أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي المستخدمة في المستشفيات، تُنتج المجالات المغناطيسية الأقوى تفاصيل أكثر في الصور الشعاعية.

يُستخدم الهيليوم كمبرد فائق نظرًا لانخفاض درجة انصهاره وغليانه، وعدم تجمدّه عند الضغط الجوي ودرجة حرارة الصفر المطلق، وخموله الكيميائي الذي يجعل تفاعله مع المواد الأخرى شبه مستحيل. إضافةً إلى ذلك، يصبح الهيليوم سائلًا فائق الميوعة عند درجة حرارة أقل من 2.2 كلفن. وحتى الآن، لم تُستغل هذه الخاصية الفريدة في أي تطبيق صناعي. عند درجات حرارة أقل من 17 كلفن، لا بديل عن الهيليوم كمبرد في مصادر التبريد العميق.

علم الطيران والفضاء

يُستخدم الهيليوم أيضًا في المناطيد والسفن الهوائية. ولأنه أخف من الهواء، تُملأ هذه المناطيد والسفن الهوائية به. يتميز الهيليوم بكونه غير قابل للاشتعال، على الرغم من أن الهيدروجين أكثر طفوًا وأقل قدرة على التسرب من الغشاء. ومن استخداماته الثانوية الأخرى تقنية الصواريخ، حيث يُستخدم كوسيط لفقدان الوقود والمؤكسد في خزانات التخزين، وتكثيف الهيدروجين والأكسجين لإنتاج وقود الصواريخ. كما يُمكن استخدامه لإزالة الوقود والمؤكسد من معدات الدعم الأرضي قبل الإطلاق، وتبريد الهيدروجين السائل مسبقًا في المركبة الفضائية. في صاروخ ساتورن 5 المستخدم في برنامج أبولو، استُخدم حوالي 370,000 متر مكعب (13 مليون قدم مكعب) من الهيليوم للإطلاق.

الكشف عن تسربات خطوط الأنابيب وتحليلها

يُستخدم الهيليوم في الصناعة أيضًا للكشف عن التسربات. يُستخدم هذا النوع من الكشف للكشف عن التسربات في الأنظمة التي تحتوي على سوائل وغازات. ولأن الهيليوم ينتشر في المواد الصلبة أسرع بثلاث مرات من الهواء، يُستخدم كغاز مُتتبِّع للكشف عن التسربات في المعدات ذات الفراغ العالي (مثل خزانات التبريد العميق) والأوعية ذات الضغط العالي. يُوضع الجسم المراد فحصه في حجرة، ثم تُفرَّغ من الهواء وتُملأ بالهيليوم. حتى مع معدلات تسرب منخفضة تصل إلى 10⁻⁹ ملي بار لتر/ثانية (10⁻¹⁰ باسكال متر مكعب/ثانية)، يمكن الكشف عن الهيليوم المتسرب بواسطة جهاز حساس (مطياف كتلة الهيليوم). عادةً ما تكون عملية القياس مؤتمتة وتُسمى اختبار تكامل الهيليوم. هناك طريقة أخرى أبسط، وهي ملء الجسم المراد فحصه بالهيليوم والبحث يدويًا عن التسربات باستخدام جهاز محمول.

يُستخدم الهيليوم في الكشف عن التسربات لأنه أصغر جزيء وأحادي الذرة، مما يجعله سهل التسرب. يُملأ الجسم بغاز الهيليوم أثناء عملية الكشف، وفي حال حدوث تسرب، يستطيع مطياف كتلة الهيليوم تحديد موقعه. يُمكن استخدام الهيليوم للكشف عن التسربات في الصواريخ، وخزانات الوقود، والمبادلات الحرارية، وخطوط الغاز، والإلكترونيات، وأنابيب التلفزيون، ومكونات صناعية أخرى. استُخدم الهيليوم لأول مرة في مشروع مانهاتن للكشف عن التسربات في محطات تخصيب اليورانيوم. يُمكن استبدال الهيليوم المستخدم في الكشف عن التسربات بالهيدروجين أو النيتروجين أو خليط منهما.

اللحام وتشكيل المعادن

يُستخدم غاز الهيليوم كغاز واقٍ في لحام القوس الكهربائي ولحام قوس البلازما نظرًا لطاقة تأينه العالية مقارنةً بالذرات الأخرى. يمنع غاز الهيليوم المحيط بمنطقة اللحام تأكسد المعدن في حالته المنصهرة. تسمح طاقة التأين العالية للهيليوم بلحام قوس البلازما للمعادن المختلفة المستخدمة في البناء، وبناء السفن، وصناعة الطيران، مثل التيتانيوم، والزركونيوم، والمغنيسيوم، وسبائك الألومنيوم. على الرغم من إمكانية استبدال الهيليوم في غاز الحماية بالأرجون أو الهيدروجين، إلا أن بعض المواد (مثل التيتانيوم والهيليوم) لا يمكن استبدالها في لحام قوس البلازما، لأن الهيليوم هو الغاز الوحيد الآمن في درجات الحرارة العالية.

يُعدّ لحام الفولاذ المقاوم للصدأ من أكثر المجالات نشاطًا في التطوير. الهيليوم غاز خامل، أي أنه لا يتفاعل كيميائيًا مع المواد الأخرى. هذه الخاصية مهمة للغاية في غازات الحماية المستخدمة في اللحام.

يتميز الهيليوم أيضاً بتوصيله الجيد للحرارة، ولذلك يُستخدم عادةً في اللحامات التي تتطلب حرارة عالية لتحسين قابلية التبلل. كما يُستخدم الهيليوم أيضاً لتسريع عملية اللحام.

يُخلط الهيليوم عادةً مع الأرجون بنسب متفاوتة في خليط الغاز الواقي للاستفادة القصوى من خصائص كليهما. فالهيليوم، على سبيل المثال، يعمل كغاز واقٍ للمساعدة في توفير اختراق أوسع وأقل عمقًا أثناء اللحام. إلا أن الهيليوم لا يوفر التنظيف الذي يوفره الأرجون.

ونتيجةً لذلك، غالباً ما يلجأ مصنّعو المعادن إلى خلط غاز الأرجون مع الهيليوم كجزء من عملية التصنيع. في لحام القوس المعدني المحمي بالغاز، قد يشكل الهيليوم ما بين 25% و75% من خليط الغاز في مزيج الهيليوم/الأرجون. ومن خلال ضبط تركيبة خليط الغاز الواقي، يستطيع اللحام التأثير على توزيع الحرارة في منطقة اللحام، مما يؤثر بدوره على شكل المقطع العرضي لمعدن اللحام وسرعة اللحام.

صناعة أشباه الموصلات الإلكترونية

باعتباره غازًا خاملًا، يتميز الهيليوم بثباته العالي، ما يجعله نادرًا ما يتفاعل مع أي عناصر أخرى. هذه الخاصية تجعله يُستخدم كدرع واقٍ في لحام القوس الكهربائي (لمنع تلوث الهواء بالأكسجين). كما أن للهيليوم تطبيقات بالغة الأهمية في مجالات أخرى، مثل صناعة أشباه الموصلات والألياف البصرية. إضافةً إلى ذلك، يُمكن استخدامه بديلًا للنيتروجين في الغوص العميق لمنع تكوّن فقاعات النيتروجين في مجرى الدم، وبالتالي الوقاية من داء الغوص.

حجم مبيعات الهيليوم العالمية (2016-2027)

بلغ حجم سوق الهيليوم العالمي 1825.37 مليون دولار أمريكي في عام 2020، ومن المتوقع أن يصل إلى 2742.04 مليون دولار أمريكي في عام 2027، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 5.65% (2021-2027). ويشهد هذا القطاع حالة من عدم اليقين خلال السنوات القادمة. وتستند بيانات التوقعات للفترة 2021-2027 الواردة في هذه الورقة إلى التطورات التاريخية خلال السنوات القليلة الماضية، وآراء خبراء القطاع، وتحليلات المحللين.

تتميز صناعة الهيليوم بتركيزها العالي، حيث تُستخرج من موارد طبيعية، وتقتصر على عدد محدود من المصنّعين العالميين، لا سيما في الولايات المتحدة وروسيا وقطر والجزائر. أما على الصعيد العالمي، فيتركز قطاع الاستهلاك في الولايات المتحدة والصين وأوروبا وغيرها. وتتمتع الولايات المتحدة بتاريخ عريق ومكانة راسخة في هذه الصناعة.

تمتلك العديد من الشركات عدة مصانع، لكنها عادةً ما تكون بعيدة عن أسواق المستهلكين المستهدفة. ولذلك، ترتفع تكلفة نقل المنتج.

منذ السنوات الخمس الأولى، نما الإنتاج ببطء شديد. الهيليوم مصدر طاقة غير متجدد، وتوجد سياسات في الدول المنتجة لضمان استمرار استخدامه. ويتوقع البعض أن ينضب الهيليوم في المستقبل.

تعتمد هذه الصناعة بشكل كبير على الواردات والصادرات. تستخدم جميع الدول تقريباً غاز الهيليوم، لكن القليل منها فقط يمتلك احتياطيات منه.

يُستخدم الهيليوم على نطاق واسع، وسيزداد توفره في مجالات عديدة. ونظرًا لندرة الموارد الطبيعية، فمن المرجح أن يرتفع الطلب عليه مستقبلًا، مما يستدعي إيجاد بدائل مناسبة. ومن المتوقع أن تستمر أسعار الهيليوم في الارتفاع من عام 2021 إلى عام 2026، من 13.53 دولارًا أمريكيًا/م³ (عام 2020) إلى 19.09 دولارًا أمريكيًا/م³ (عام 2027).

يتأثر هذا القطاع بالعوامل الاقتصادية والسياسية. ومع تعافي الاقتصاد العالمي، يزداد اهتمام الناس بتحسين المعايير البيئية، لا سيما في المناطق النامية ذات الكثافة السكانية العالية والنمو الاقتصادي السريع، مما سيؤدي إلى زيادة الطلب على الهيليوم.

تضم قائمة كبرى الشركات العالمية المصنعة حاليًا شركات مثل راسجاس، ومجموعة ليندي، وإير كيميكال، وإكسون موبيل، وإير ليكيد (الدنمارك)، وغازبروم (روسيا)، وغيرها. ومن المتوقع أن تتجاوز حصة مبيعات أكبر ست شركات مصنعة 74% في عام 2020. كما يُتوقع أن تشتد المنافسة في هذا القطاع خلال السنوات القليلة المقبلة.

معدات التبريد العميق HL

نظراً لندرة موارد الهيليوم السائل وارتفاع سعره، فمن المهم تقليل فقدان واستعادة الهيليوم السائل في عملية استخدامه ونقله.

شركة HL Cryogenic Equipment، التي تأسست عام 1992، هي علامة تجارية تابعة لشركة HL Cryogenic Equipment المحدودة. تلتزم HL Cryogenic Equipment بتصميم وتصنيع أنظمة أنابيب التبريد المعزولة تحت فراغ عالٍ ومعدات الدعم ذات الصلة لتلبية مختلف احتياجات العملاء. تُصنع الأنابيب المعزولة تحت الفراغ والخراطيم المرنة من مواد عازلة خاصة متعددة الطبقات ومتعددة الشاشات، وتخضع لسلسلة من المعالجات التقنية الدقيقة للغاية ومعالجة الفراغ العالي، وتُستخدم لنقل الأكسجين السائل، والنيتروجين السائل، والأرجون السائل، والهيدروجين السائل، والهيليوم السائل، وغاز الإيثيلين المسال (LEG)، والغاز الطبيعي المسال (LNG).

تُستخدم سلسلة منتجات الأنابيب ذات الغلاف الفراغي، والخراطيم ذات الغلاف الفراغي، والصمامات ذات الغلاف الفراغي، وفواصل الطور في شركة HL Cryogenic Equipment، والتي خضعت لسلسلة من المعالجات التقنية الصارمة للغاية، لنقل الأكسجين السائل، والنيتروجين السائل، والأرجون السائل، والهيدروجين السائل، والهيليوم السائل، وLEG، وLNG. وتُستخدم هذه المنتجات في صيانة معدات التبريد (مثل خزانات التبريد، وأوعية ديوار، وصناديق التبريد، وما إلى ذلك) في صناعات فصل الهواء، والغازات، والطيران، والإلكترونيات، والموصلات الفائقة، والرقائق، وتجميع الأتمتة، والأغذية والمشروبات، والصيدلة، والمستشفيات، وبنوك العينات الحيوية، والمطاط، وتصنيع المواد الجديدة، والهندسة الكيميائية، والحديد والصلب، والبحث العلمي، وما إلى ذلك.

أصبحت شركة HL Cryogenic Equipment Company المورد/البائع المؤهل لشركات Linde و Air Liquide و Air Products (AP) و Praxair و Messer و BOC و Iwatani و Hangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang) وغيرها.