الهيليوم هو عنصر كيميائي بالرمز He والرقم الذري 2. وهو غاز نادر في الغلاف الجوي، عديم اللون، لا طعم له، لا طعم له، غير سام، غير قابل للاشتعال، قابل للذوبان في الماء قليلاً. تركيز الهيليوم في الغلاف الجوي هو 5.24×10-4 بالنسبة المئوية للحجم. لديه أدنى نقطة غليان وانصهار لأي عنصر، ويوجد فقط كغاز، إلا في الظروف شديدة البرودة.

يتم نقل الهيليوم في المقام الأول كهيليوم غازي أو سائل ويستخدم في المفاعلات النووية وأشباه الموصلات والليزر والمصابيح الكهربائية والموصلية الفائقة والأجهزة وأشباه الموصلات والألياف الضوئية والأبحاث المخبرية والتصوير بالرنين المغناطيسي والبحث والتطوير.

مصدر درجة الحرارة المنخفضة الباردة

يستخدم الهيليوم كمبرد مبرد لمصادر التبريد المبردة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR)، معجل الجسيمات الكمومية فائقة التوصيل، مصادم الهادرونات الكبير، مقياس التداخل (SQUID)، الرنين المغزلي للإلكترون (ESR). وتخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES)، ومولدات MHD فائقة التوصيل، وأجهزة الاستشعار فائقة التوصيل، ونقل الطاقة، ونقل ماجليف، ومقياس الطيف الكتلي، والمغناطيس فائق التوصيل، وفواصل المجال المغناطيسي القوية، والمغناطيس الحلقي فائق التوصيل لمفاعلات الاندماج وغيرها من الأبحاث المبردة. يقوم الهيليوم بتبريد المواد فائقة التوصيل المبردة والمغناطيسات إلى ما يقرب من الصفر المطلق، وعند هذه النقطة تنخفض مقاومة الموصل الفائق فجأة إلى الصفر. تخلق المقاومة المنخفضة جدًا للموصل الفائق مجالًا مغناطيسيًا أكثر قوة. في حالة معدات التصوير بالرنين المغناطيسي المستخدمة في المستشفيات، تنتج المجالات المغناطيسية الأقوى مزيدًا من التفاصيل في الصور الشعاعية.

يستخدم الهيليوم كمبرد فائق لأن الهيليوم لديه أقل نقاط انصهار وغليان، ولا يتصلب عند الضغط الجوي و0 كلفن، والهيليوم خامل كيميائيًا، مما يجعل من المستحيل تقريبًا التفاعل مع المواد الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يصبح الهيليوم سائلًا فائقًا عند درجة حرارة أقل من 2.2 كلفن. حتى الآن، لم يتم استغلال القدرة الفائقة على الحركة الفريدة في أي تطبيق صناعي. عند درجات حرارة أقل من 17 كلفن، لا يوجد بديل للهيليوم كمبرد في المصدر المبرد.

الطيران والملاحة الفضائية

ويستخدم الهيليوم أيضًا في صناعة البالونات والمناطيد. ولأن الهيليوم أخف من الهواء، تمتلئ المناطيد والبالونات بالهيليوم. يتمتع الهيليوم بميزة كونه غير قابل للاشتعال، على الرغم من أن الهيدروجين أكثر طفوًا وله معدل هروب أقل من الغشاء. استخدام ثانوي آخر هو في تكنولوجيا الصواريخ، حيث يتم استخدام الهيليوم كوسيلة خسارة لتحل محل الوقود والمؤكسد في صهاريج التخزين وتكثيف الهيدروجين والأكسجين لصنع وقود الصواريخ. ويمكن استخدامه أيضًا لإزالة الوقود والمؤكسد من معدات الدعم الأرضية قبل الإطلاق، ويمكنه تبريد الهيدروجين السائل مسبقًا في المركبة الفضائية. في صاروخ ساتورن 5 المستخدم في برنامج أبولو، كان هناك حاجة إلى حوالي 370 ألف متر مكعب (13 مليون قدم مكعب) من الهيليوم للإطلاق.

كشف تسرب خطوط الأنابيب وتحليل الكشف

الاستخدام الصناعي الآخر للهيليوم هو اكتشاف التسرب. يستخدم كشف التسرب للكشف عن التسربات في الأنظمة التي تحتوي على سوائل وغازات. ولأن الهيليوم ينتشر عبر المواد الصلبة أسرع بثلاث مرات من الهواء، فإنه يستخدم كغاز تتبع للكشف عن التسربات في المعدات ذات الفراغ العالي (مثل الخزانات المبردة) والأوعية ذات الضغط العالي. يتم وضع الجسم في غرفة، ثم يتم إخلاؤها وتعبئتها بالهيليوم. حتى عند معدلات تسرب منخفضة تصل إلى 10-9 مللي بار•لتر/ثانية (10-10 باسكال•م3/ثانية)، يمكن اكتشاف الهيليوم المتسرب عبر التسرب بواسطة جهاز حساس (مطياف كتلة الهيليوم). عادة ما تكون عملية القياس آلية وتسمى اختبار تكامل الهيليوم. هناك طريقة أخرى أبسط وهي ملء الجسم المعني بالهيليوم والبحث يدويًا عن التسريبات باستخدام جهاز محمول باليد.

يستخدم الهيليوم في كشف التسرب لأنه أصغر جزيء وهو جزيء أحادي الذرة، لذلك يتسرب الهيليوم بسهولة. يتم تعبئة غاز الهيليوم في الجسم أثناء اكتشاف التسرب، وفي حالة حدوث تسرب، سيتمكن مطياف كتلة الهيليوم من اكتشاف موقع التسرب. يمكن استخدام الهيليوم للكشف عن التسربات في الصواريخ وخزانات الوقود والمبادلات الحرارية وخطوط الغاز والإلكترونيات وأنابيب التلفزيون ومكونات التصنيع الأخرى. تم استخدام كشف التسرب باستخدام الهيليوم لأول مرة خلال مشروع مانهاتن للكشف عن التسربات في محطات تخصيب اليورانيوم. يمكن استبدال هيليوم كشف التسرب بالهيدروجين أو النيتروجين أو خليط من الهيدروجين والنيتروجين.

اللحام وتشغيل المعادن

يستخدم غاز الهيليوم كغاز وقائي في اللحام القوسي واللحام القوسي البلازمي بسبب طاقة التأين العالية لديه مقارنة بالذرات الأخرى. يمنع غاز الهيليوم الموجود حول اللحام المعدن من الأكسدة في الحالة المنصهرة. تسمح طاقة التأين العالية للهيليوم باللحام بقوس البلازما للمعادن المختلفة المستخدمة في البناء وبناء السفن والفضاء، مثل التيتانيوم والزركونيوم والمغنيسيوم وسبائك الألومنيوم. على الرغم من أنه يمكن استبدال الهيليوم الموجود في غاز التدريع بالأرجون أو الهيدروجين، إلا أنه لا يمكن استبدال بعض المواد (مثل هيليوم التيتانيوم) في اللحام بقوس البلازما. لأن الهيليوم هو الغاز الوحيد الآمن في درجات الحرارة المرتفعة.

أحد أكثر مجالات التطوير نشاطًا هو لحام الفولاذ المقاوم للصدأ. الهيليوم هو غاز خامل، مما يعني أنه لا يخضع لأي تفاعلات كيميائية عند تعرضه لمواد أخرى. هذه الخاصية مهمة بشكل خاص في غازات حماية اللحام.

يقوم الهيليوم أيضًا بتوصيل الحرارة جيدًا. هذا هو السبب في أنه يستخدم بشكل شائع في اللحامات حيث يلزم إدخال حرارة أعلى لتحسين قابلية اللحام للتبلل. الهيليوم مفيد أيضًا للسرعة.

عادة ما يتم خلط الهيليوم مع الأرجون بكميات متفاوتة في خليط الغاز الواقي للاستفادة الكاملة من الخصائص الجيدة لكلا الغازين. يعمل الهيليوم، على سبيل المثال، كغاز وقائي للمساعدة في توفير طرق اختراق أوسع وأقل سطحية أثناء اللحام. لكن الهيليوم لا يوفر التنظيف الذي يقوم به الأرجون.

ونتيجة لذلك، غالبًا ما يفكر مصنعو المعادن في خلط الأرجون مع الهيليوم كجزء من عملية العمل الخاصة بهم. بالنسبة لحام القوس المعدني المحمي بالغاز، قد يشتمل الهيليوم على 25% إلى 75% من خليط الغاز في خليط الهيليوم/الأرجون. من خلال ضبط تركيبة خليط الغاز الواقي، يمكن أن يؤثر اللحام على توزيع حرارة اللحام، والذي بدوره يؤثر على شكل المقطع العرضي لمعدن اللحام وسرعة اللحام.

صناعة أشباه الموصلات الإلكترونية

باعتباره غازًا خاملًا، فإن الهيليوم مستقر جدًا لدرجة أنه نادرًا ما يتفاعل مع أي عناصر أخرى. هذه الخاصية تجعله يستخدم كدرع في اللحام القوسي (لمنع تلوث الأكسجين في الهواء). وللهيليوم أيضًا تطبيقات هامة أخرى، مثل أشباه الموصلات وتصنيع الألياف الضوئية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يحل محل النيتروجين في الغوص العميق لمنع تكوين فقاعات النيتروجين في مجرى الدم، وبالتالي منع مرض الغوص.

حجم مبيعات الهيليوم العالمية (2016-2027)

وصل سوق الهيليوم العالمي إلى 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 (CAGR) يبلغ 5.65٪ (2021-2027). الصناعة لديها قدر كبير من عدم اليقين في السنوات المقبلة. تعتمد البيانات المتوقعة للفترة 2021-2027 في هذه الورقة على التطور التاريخي في السنوات القليلة الماضية وآراء خبراء الصناعة وآراء المحللين في هذه الورقة.

وتتركز صناعة الهيليوم بشكل كبير، ويتم الحصول عليها من الموارد الطبيعية، ولديها عدد محدود من المصنعين العالميين، خاصة في الولايات المتحدة وروسيا وقطر والجزائر. في العالم، يتركز القطاع الاستهلاكي في الولايات المتحدة والصين وأوروبا وغيرها. تتمتع الولايات المتحدة بتاريخ طويل ومكانة لا تتزعزع في الصناعة.

تمتلك العديد من الشركات العديد من المصانع، لكنها عادة لا تكون قريبة من الأسواق الاستهلاكية المستهدفة. ولذلك، فإن المنتج لديه تكلفة نقل عالية.

ومنذ السنوات الخمس الأولى، نما الإنتاج ببطء شديد. الهيليوم هو مصدر طاقة غير متجدد، ويتم وضع سياسات في الدول المنتجة لضمان استمرار استخدامه. ويتوقع البعض أن الهيليوم سوف ينفد في المستقبل.

تتمتع الصناعة بنسبة عالية من الواردات والصادرات. تستخدم جميع البلدان تقريبًا الهيليوم، ولكن القليل منها فقط لديه احتياطيات من الهيليوم.

يتمتع الهيليوم بمجموعة واسعة من الاستخدامات وسيكون متاحًا في المزيد والمزيد من المجالات. ونظراً لندرة الموارد الطبيعية، فمن المرجح أن يزداد الطلب على الهيليوم في المستقبل، مما يتطلب بدائل مناسبة. ومن المتوقع أن تستمر أسعار الهيليوم في الارتفاع من عام 2021 إلى عام 2026، من 13.53 دولارًا للمتر المكعب (2020) إلى 19.09 دولارًا للمتر المكعب (2027).

تتأثر الصناعة بالاقتصاد والسياسة. مع انتعاش الاقتصاد العالمي، يهتم المزيد والمزيد من الناس بتحسين المعايير البيئية، خاصة في المناطق المتخلفة ذات الكثافة السكانية الكبيرة والنمو الاقتصادي السريع، وسيزداد الطلب على الهيليوم.

في الوقت الحاضر، تشمل الشركات المصنعة العالمية الكبرى Rasgas وLinde Group وAir Chemical وExxonMobil وAir Liquide (Dz) وGazprom (Ru)، وما إلى ذلك. وفي عام 2020، ستتجاوز حصة مبيعات أفضل 6 مصنعين 74%. ومن المتوقع أن تشتد المنافسة في هذه الصناعة في السنوات القليلة المقبلة.

معدات التبريد HL

ونظراً لندرة موارد الهيليوم السائل وارتفاع سعره، فمن المهم تقليل فقد واسترجاع الهيليوم السائل في عملية استخدامه ونقله.

HL Cryogenic Equipment التي تأسست في عام 1992 هي علامة تجارية تابعة لشركة HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co.,Ltd. تلتزم شركة HL Cryogenic Equipment بتصميم وتصنيع نظام الأنابيب المبردة المعزولة بالفراغ العالي ومعدات الدعم ذات الصلة لتلبية الاحتياجات المختلفة للعملاء. يتم تصنيع الأنابيب المعزولة بالفراغ والخرطوم المرن من مواد معزولة خاصة ذات فراغ عالي ومتعددة الطبقات ومتعددة الشاشات، ويمر عبر سلسلة من المعالجات التقنية الصارمة للغاية ومعالجة الفراغ العالي، والتي تستخدم لنقل الأكسجين السائل والنيتروجين السائل والأرجون السائل والهيدروجين السائل والهيليوم السائل وغاز الإيثيلين المسال LEG والغاز الطبيعي المسال LNG.

يتم استخدام سلسلة المنتجات من الأنابيب ذات التغليف المفرغ، والخرطوم المغلف بالتفريغ، والصمام المغلف بالتفريغ، وفاصل الطور في شركة HL Cryogenic Equipment Company، والتي مرت عبر سلسلة من المعالجات التقنية الصارمة للغاية، لنقل الأكسجين السائل، والنيتروجين السائل، والأرجون السائل، الهيدروجين السائل، والهيليوم السائل، وLEG، وLNG، ويتم صيانة هذه المنتجات للمعدات المبردة (مثل الخزانات المبردة، والديوار، وصناديق التبريد وما إلى ذلك) في صناعات فصل الهواء، والغازات، والطيران، والإلكترونيات، والموصلات الفائقة، والرقائق، وتجميع الأتمتة، والأغذية المشروبات والصيدلة والمستشفيات والبنك الحيوي والمطاط وتصنيع المواد الجديدة والهندسة الكيميائية والحديد والصلب والبحث العلمي وما إلى ذلك.

أصبحت شركة HL Cryogenic Equipment Company المورد/البائع المؤهل لشركة Linde، وAir Liquide، وAir Products (AP)، وPraxair، وMesser، وBOC، وIwatani، ومجموعة Hangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang) وما إلى ذلك.