الهيليوم عنصر كيميائي رمزه He وعدده الذري 2. وهو غاز نادر الوجود في الغلاف الجوي، عديم اللون والطعم والرائحة، غير سام، غير قابل للاشتعال، ويذوب في الماء بشكل طفيف. تركيز الهيليوم في الغلاف الجوي هو 5.24 × 10-4 كنسبة مئوية حجمية. يتميز بأقل درجات غليان وذوبان بين العناصر، ويوجد فقط كغاز، إلا في الظروف شديدة البرودة.

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

مصدر البرودة ذو درجة الحرارة المنخفضة

يُستخدم الهيليوم كمُبرِّد مُبرَّد لمصادر التبريد المُبرَّد، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، وطيف الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، ومُسرِّع الجسيمات الكمومي فائق التوصيل، ومصادم الهدرونات الكبير، ومقياس التداخل (SQUID)، ورنين الدوران الإلكتروني (ESR)، وتخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES)، ومولدات MHD فائقة التوصيل، ومستشعرات فائقة التوصيل، ونقل الطاقة، ونقل القطارات المغناطيسية المغناطيسية، ومطياف الكتلة، والمغناطيس فائق التوصيل، وفواصل المجال المغناطيسي القوي، والمغناطيسات فائقة التوصيل ذات المجال الحلقي لمفاعلات الاندماج، وغيرها من أبحاث التبريد المُبرَّد. يُبرِّد الهيليوم المواد فائقة التوصيل المُبرَّدة والمغناطيسات إلى ما يقارب الصفر المطلق، وعند هذه النقطة تنخفض مقاومة الموصل الفائق فجأةً إلى الصفر. تُولِّد 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 كمُبرِّد فائق نظرًا لانخفاض درجات انصهاره وغليانه، وعدم تصلبه عند الضغط الجوي ودرجة حرارة صفر كلفن، بالإضافة إلى خموله الكيميائي، مما يجعل تفاعله مع المواد الأخرى شبه مستحيل. إضافةً إلى ذلك، يصبح الهيليوم سائلًا فائقًا عند درجة حرارة أقل من 2.2 كلفن. حتى الآن، لم تُستغل هذه القدرة الفائقة الفريدة على الحركة في أي تطبيق صناعي. عند درجات حرارة أقل من 17 كلفن، لا يوجد بديل للهيليوم كمُبرِّد في مصدر التبريد العميق.

علوم الطيران والفضاء

يُستخدم الهيليوم أيضًا في البالونات والمركبات الهوائية. ولأن الهيليوم أخف من الهواء، تُملأ هذه المركبات بالهيليوم. يتميز الهيليوم بأنه غير قابل للاشتعال، على الرغم من أن الهيدروجين أكثر طفوًا وسرعة هروبه من الغشاء أقل. ومن الاستخدامات الثانوية الأخرى تكنولوجيا الصواريخ، حيث يُستخدم الهيليوم كوسيطٍ مُهدرٍ لإزاحة الوقود والمؤكسد في خزانات التخزين، وتكثيف الهيدروجين والأكسجين لإنتاج وقود الصواريخ. كما يُمكن استخدامه لإزالة الوقود والمؤكسد من معدات الدعم الأرضية قبل الإطلاق، ويمكنه تبريد الهيدروجين السائل مسبقًا في المركبة الفضائية. في صاروخ ساتورن 5 المُستخدم في برنامج أبولو، استُخدم حوالي 370,000 متر مكعب (13 مليون قدم مكعب) من الهيليوم للإطلاق.

كشف تسربات الأنابيب وتحليل الكشف

من الاستخدامات الصناعية الأخرى للهيليوم كشف التسربات. يُستخدم كشف التسربات للكشف عن التسربات في الأنظمة التي تحتوي على سوائل وغازات. ولأن الهيليوم ينتشر في المواد الصلبة أسرع بثلاث مرات من الهواء، فإنه يُستخدم كغاز كاشف للكشف عن التسربات في المعدات عالية التفريغ (مثل خزانات التبريد العميق) والأوعية عالية الضغط. يوضع الجسم في حجرة، ثم تُفرغ وتُملأ بالهيليوم. حتى عند معدلات تسرب منخفضة تصل إلى 10-9 مليبار•لتر/ثانية (10-10 باسكال•متر مكعب/ثانية)، يمكن الكشف عن الهيليوم المتسرب عبر التسرب بواسطة جهاز حساس (مطياف كتلة الهيليوم). عادةً ما تكون عملية القياس آلية وتُسمى اختبار تكامل الهيليوم. وهناك طريقة أخرى أبسط وهي ملء الجسم المعني بالهيليوم والبحث يدويًا عن التسربات باستخدام جهاز محمول باليد.

يُستخدم الهيليوم للكشف عن التسربات لأنه أصغر جزيء، ولأنه أحادي الذرة، لذا يتسرب بسهولة. يُملأ غاز الهيليوم داخل الجسم أثناء الكشف عن التسرب، وفي حال حدوث تسرب، يتمكن مطياف كتلة الهيليوم من تحديد موقع التسرب. يمكن استخدام الهيليوم للكشف عن التسربات في الصواريخ، وخزانات الوقود، والمبادلات الحرارية، وأنابيب الغاز، والأجهزة الإلكترونية، وأنابيب التلفزيون، وغيرها من مكونات التصنيع. استُخدم كشف التسرب باستخدام الهيليوم لأول مرة خلال مشروع مانهاتن للكشف عن التسربات في مصانع تخصيب اليورانيوم. يمكن استبدال الهيليوم بالهيدروجين أو النيتروجين أو بمزيج من الهيدروجين والنيتروجين.

اللحام وتشغيل المعادن

يُستخدم غاز الهيليوم كغاز واقٍ في اللحام القوسي واللحام بالقوس البلازمي، نظرًا لطاقة تأينه العالية مقارنةً بالذرات الأخرى. يمنع غاز الهيليوم المحيط باللحام المعدن من التأكسد في الحالة المنصهرة. تتيح طاقة التأين العالية للهيليوم لحام قوس البلازما للمعادن غير المتشابهة المستخدمة في البناء وبناء السفن والفضاء، مثل سبائك التيتانيوم والزركونيوم والمغنيسيوم والألومنيوم. على الرغم من إمكانية استبدال الهيليوم في غاز الحماية بالأرجون أو الهيدروجين، إلا أن بعض المواد (مثل هيليوم التيتانيوم) لا يمكن استبدالها في اللحام بالقوس البلازمي، لأن الهيليوم هو الغاز الوحيد الآمن في درجات الحرارة العالية.

يُعدّ لحام الفولاذ المقاوم للصدأ من أكثر مجالات التطوير نشاطًا. الهيليوم غاز خامل، أي أنه لا يخضع لأي تفاعلات كيميائية عند تعرضه لمواد أخرى. تُعد هذه الخاصية بالغة الأهمية في غازات الحماية المستخدمة في اللحام.

يتميز الهيليوم أيضًا بتوصيل جيد للحرارة، ولذلك يُستخدم عادةً في اللحامات التي تتطلب كمية حرارة أعلى لتحسين قابلية اللحام للبلل. كما يُستخدم الهيليوم في زيادة السرعة.

عادةً ما يُخلط الهيليوم مع الأرجون بكميات متفاوتة في خليط الغاز الواقي للاستفادة القصوى من خصائص كلا الغازين الجيدة. على سبيل المثال، يعمل الهيليوم كغاز واقي، مما يُساعد على توفير طرق اختراق أوسع وأقل عمقًا أثناء اللحام. لكن الهيليوم لا يوفر التنظيف الذي يوفره الأرجون.

نتيجةً لذلك، غالبًا ما يُراعي مُصنِّعو المعادن خلط الأرجون بالهيليوم كجزء من عملياتهم. في لحام القوس المعدني المُغطّى بالغاز، قد يُشكّل الهيليوم ما بين 25% و75% من خليط الغاز في خليط الهيليوم/الأرجون. بتعديل تركيبة خليط الغاز الواقي، يُمكن للّحام التأثير على توزيع حرارة اللحام، مما يؤثر بدوره على شكل المقطع العرضي للمعدن المُلتحم وسرعة اللحام.

صناعة أشباه الموصلات الإلكترونية

نظرًا لكونه غازًا خاملًا، يتميز الهيليوم باستقراره الشديد، مما يجعله نادرًا ما يتفاعل مع أي عناصر أخرى. هذه الخاصية تجعله يُستخدم كدرع في اللحام القوسي (لمنع تلوث الأكسجين في الهواء). وللهيليوم أيضًا تطبيقات حيوية أخرى، مثل تصنيع أشباه الموصلات والألياف الضوئية. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدامه كبديل للنيتروجين في الغوص العميق لمنع تكون فقاعات النيتروجين في مجرى الدم، وبالتالي الوقاية من دوار 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). وتشهد هذه الصناعة حالة من عدم اليقين الشديد في السنوات القادمة. وتستند بيانات التوقعات للفترة 2021-2027 في هذه الورقة إلى التطور التاريخي للسنوات القليلة الماضية، وآراء خبراء الصناعة، وآراء المحللين.

تتميز صناعة الهيليوم بتركيزها العالي، حيث تُستخرج من الموارد الطبيعية، ولها 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. وللولايات المتحدة تاريخ عريق ومكانة راسخة في هذه الصناعة.

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

منذ السنوات الخمس الأولى، شهد الإنتاج نموًا بطيئًا للغاية. الهيليوم مصدر طاقة غير متجدد، وتضع الدول المنتجة سياسات لضمان استمرار استخدامه. ويتوقع البعض نفاد الهيليوم في المستقبل.

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

للهيليوم استخدامات واسعة، وسيتوفر في مجالات أكثر فأكثر. ونظرًا لندرة الموارد الطبيعية، من المرجح أن يزداد الطلب على الهيليوم مستقبلًا، مما يتطلب إيجاد بدائل مناسبة. ومن المتوقع أن تستمر أسعار الهيليوم في الارتفاع بين عامي 2021 و2026، من 13.53 دولارًا أمريكيًا للمتر المكعب (2020) إلى 19.09 دولارًا أمريكيًا للمتر المكعب (2027).

تتأثر الصناعة بالاقتصاد والسياسات. ومع تعافي الاقتصاد العالمي، يزداد اهتمام الناس بتحسين المعايير البيئية، لا سيما في المناطق الأقل نموًا ذات الكثافة السكانية العالية والنمو الاقتصادي السريع، مما سيزيد الطلب على الهيليوم.

في الوقت الحالي، تشمل كبرى الشركات المصنعة العالمية راس غاز، ومجموعة لينده، وإير كيميكال، وإكسون موبيل، وإير ليكيد (Dz)، وغازبروم (Ru)، وغيرها. في عام ٢٠٢٠، ستتجاوز حصة مبيعات أكبر ستة مصنعين ٧٤٪. ومن المتوقع أن تشتد المنافسة في هذه الصناعة خلال السنوات القليلة المقبلة.

معدات التبريد عالي الكفاءة

ونظرا لندرة موارد الهيليوم السائل وارتفاع سعره، فمن المهم الحد من فقدان واستعادة الهيليوم السائل في عملية استخدامه ونقله.

تأسست شركة HL Cryogenic Equipment عام ١٩٩٢، وهي علامة تجارية تابعة لشركة HL Cryogenic Equipment Company (Cryogenic Equipment Co., Ltd.). تلتزم HL Cryogenic Equipment بتصميم وتصنيع أنظمة الأنابيب المبردة المعزولة عالية التفريغ ومعدات الدعم ذات الصلة لتلبية احتياجات العملاء المتنوعة. تُصنع الأنابيب المعزولة عالية التفريغ والخراطيم المرنة من مواد عازلة خاصة متعددة الطبقات وشاشات متعددة، وتخضع لسلسلة من المعالجات التقنية الدقيقة للغاية، بما في ذلك المعالجة عالية التفريغ، لنقل الأكسجين السائل، والنيتروجين السائل، والأرجون السائل، والهيدروجين السائل، والهيليوم السائل، وغاز الإيثيلين المسال (LEG)، والغاز الطبيعي المسال (LNG).

سلسلة منتجات الأنابيب المغلفة بالفراغ، والخراطيم المغلفة بالفراغ، والصمامات المغلفة بالفراغ، وفاصل الطور في شركة HL Cryogenic Equipment Company، والتي مرت بسلسلة من المعالجات التقنية الصارمة للغاية، تُستخدم لنقل الأكسجين السائل، والنيتروجين السائل، والأرجون السائل، والهيدروجين السائل، والهيليوم السائل، وLEG وLNG، وتُقدم هذه المنتجات للمعدات المبردة (مثل الخزانات المبردة، وخزانات التبريد، وصناديق التبريد، وما إلى ذلك) في صناعات فصل الهواء، والغازات، والطيران، والإلكترونيات، والموصلات الفائقة، والرقائق، وتجميع الأتمتة، والأغذية والمشروبات، 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 وHangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang) وغيرها.