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El helio (He) es un elemento químico con el número atómico 2 en la tabla periódica. Este gas noble tiene el punto de ebullición más bajo entre todos los elementos conocidos. Solo puede solidificarse bajo una presión superior a 25 atm. En términos de abundancia en el Universo, el helio se clasifica justo después del hidrógeno. De hecho, la Oficina de Administración de Tierras de los Estados Unidos estimaba en 2006 que existen 52 mil millones de metros cúbicos de este elemento en el planeta. Gran parte de este helio proviene de la nucleosíntesis primordial, pero varios otros procesos permiten producirlo (como la radioactividad α). Este elemento químico se utiliza en numerosos campos de actividad como la industria, el sector aeroespacial, el comercio y la medicina.
Este elemento químico posee ocho isótopos, pero solo dos de ellos son estables, concretamente:
Los otros isótopos son particularmente inestables. De hecho, algunos se desintegran justo después de su formación.
En la Tierra, el helio 4 es mucho más abundante que el helio 3. En la atmósfera, existe un millón de átomos de 4He por cada átomo de 3He. La abundancia isotópica del helio depende en gran medida de su origen y de sus procesos de formación. Esta es una de las características que lo distingue de la mayoría de los elementos. El helio 4 se forma especialmente por la radioactividad α de elementos pesados. En efecto, las partículas α que se generan forman los núcleos de helio 4 completamente ionizados. Gracias a sus nucleones dispuestos en capas completas, este isótopo presenta una gran estabilidad.
En el Universo, la mayoría del helio (casi 1/4 de toda la materia) es producido por la nucleosíntesis primordial. Esta última se refiere a un evento de síntesis de núcleos atómicos que ocurrió durante la formación del Universo. El resto de este elemento químico ha sido o es formado durante la nucleosíntesis estelar (conjunto de reacciones de fusión nuclear en las estrellas).
Solo existen trazas de 3He en la Tierra. La mayoría de ellas se remontan al período de formación de nuestro planeta. Algunas quedaron atrapadas en el polvo interestelar y siguen cayendo del espacio hasta nuestra era. Sin embargo, conviene precisar que una parte del helio 3 existente proviene de la radioactividad β del tritio.
Este isótopo es más abundante en las estrellas. Aunque se forma durante la fusión nuclear, las estrellas solo liberan una pequeña cantidad. Esto se debe a que el 3He se observa únicamente en una cadena intermedia que conduce al 4He. Su cantidad disminuye así a lo largo de su producción en las estrellas. De hecho, su relación isotópica en el medio interestelar es cien veces mayor que en la Tierra.
También se observan trazas de 3He (provenientes del viento solar) en materiales extraplanetarios como el regolito lunar. De hecho, la superficie de la Luna contiene una concentración de aproximadamente 10-8. Por esta razón, algunos investigadores tuvieron la idea de explorar la Luna para extraer el helio 3 del regolito. Su objetivo era producir energía a partir de este isótopo mediante reacciones nucleares.
Helio rico en 3He se libera del interior de la Tierra, especialmente en los gases volcánicos y las lavas. En este caso, provendría de la formación de nuestro planeta. En estado gaseoso o disuelto en los minerales del manto inferior (capa entre la corteza y el núcleo terrestre), este elemento estaría casi desgasificado. Esta hipótesis se apoya en el hecho de que el helio es particularmente volátil. Además, las temperaturas en el interior de la Tierra son extremadamente elevadas.
En las condiciones del manto inferior, el helio debería tomar la forma de un mineral estable. Sin embargo, hasta ahora, ningún estudio demuestra que exista. En 2018, se realizó un cálculo de la entalpía libre de numerosos compuestos hipotéticos de helio (pero probables). Como resultado de esta operación, se predijo un solo compuesto de entalpía libre y baja, capaz de atrapar el helio en el manto inferior. Se trataría del dióxido de hierro y helio (FeO2He).
Enfriar el 4He es posible hasta 1 K por evaporación. En cambio, por el mismo procedimiento, el 3He puede enfriarse hasta 0,2 K debido a su bajo punto de ebullición. Además, la separación de las mezclas de 3He y 4He (en cantidades iguales) ocurre por debajo de 0,8 K. Estos dos isótopos se vuelven no miscibles, ya que el primero es un bosón y el segundo un fermión. Cada uno sigue una estadística cuántica propia.
Producir otros isótopos de helio es posible mediante fusión nuclear. Sin embargo, su desintegración es rápida debido a su inestabilidad. El 2He (con solo 2 protones) tiene la vida media más corta, estimada en 3 x 10-27 s. Por emisión de un neutrón, la desintegración del 5He y del 7He se efectúa respectivamente en 7,6 x 10-23 s y en 2,9 x 10-21 s. Por radioactividad β, el 6He y el 8He se desintegran respectivamente en 0,8 s y en 0,119 s. Los neutrones de estos dos isótopos tienen la particularidad de situarse lejos del núcleo (halo nuclear).
El helio es un gas noble de muy baja reactividad química que posee una capa de valencia completa. Es el menos reactivo entre los cuerpos simples, ya que carece de subcapas que puedan reaccionar. A pesar de esto, este elemento químico es capaz de producir compuestos inestables. Puede asociarse con el flúor, el tungsteno, el azufre, el yodo y el plasma de fósforo, por descarga u otro proceso.
Algunos compuestos como HeNe, WHe2 y HgHe10 se han formado de esta manera. Lo mismo ocurre con los iones moleculares HeH+, He2+, He2++ y HeD+. Por este método de descarga, se ha producido la molécula neutra He2. Esta dispone de un elevado número de sistemas de bandas. En teoría, también se pueden formar otros compuestos como el fluorohidruro de helio (HHeF). La formación del heliuro de litio (LiHe) en estado gaseoso fue posible en 2013, mediante ablación láser a muy baja temperatura.
Los complejos endoédricos de fullerenos (como el He@C60) constituyen los primeros compuestos estables de helio científicamente probados. Contienen un átomo de helio que está atrapado en una jaula de fullereno (C60). Además, es posible producir un compuesto estable de helio y sodio (Na2He) a presiones extremadamente elevadas (por encima de 113 GPa). Este tipo de molécula podría estar presente en planetas con alta presión como Saturno y Júpiter.
En condiciones normales, el helio neutro no es tóxico. No tiene ninguna propiedad biológica particular. Está presente en la sangre humana, pero solo en cantidades traza.
Cuando una persona inhala helio, se observa un cambio pasajero en su voz (del timbre hacia armónicos elevados). Esto se debe a que la densidad de este elemento químico es tres veces inferior a la del aire. La velocidad del sonido aumenta, lo que provoca un aumento de las frecuencias de resonancia del aparato fonatorio. Esto modifica posteriormente la frecuencia fundamental emitida por las cuerdas vocales. Cabe señalar, sin embargo, que la inhalación de un gas más denso (como el hexafluoruro de azufre) puede provocar una disminución del timbre.
Inhalar un poco de helio puro, que es un gas inerte, no conlleva ningún peligro. En cambio, el uso de helio comercial no está exento de riesgos. Este último puede, efectivamente, contener contaminantes, aerosoles de aceite lubricante y diversos otros gases peligrosos.
Una persona también está expuesta a un peligro cuando:
En este último caso, el alto flujo de este gas puede provocar un barotrauma. Esta lesión puede conducir a una ruptura del tejido pulmonar que puede ser fatal. En los Estados Unidos, este tipo de accidente causó dos muertes entre 2000 y 2004.
Al inhalar heliox (helio + dioxígeno) a una presión superior a 2 MPa, una persona corre el riesgo de sufrir un síndrome nervioso de altas presiones. Sin embargo, es posible evitar este trastorno añadiendo una pequeña cantidad de dinitrógeno a esta mezcla. En buceo subacuático, solo es posible evitar este trastorno añadiendo hidrógeno al heliox.
En medicina, el helio se añade a mezclas que comprenden al menos un 20% de dioxígeno. Los médicos administran estas mezclas a pacientes que sufren una obstrucción de las vías respiratorias superiores o inferiores. Gracias a su baja viscosidad, este elemento químico contribuye a reducir el trabajo respiratorio.
Conviene tomar ciertas precauciones al manipular helio criogénico. Su temperatura extremadamente baja expone a las personas a riesgos de quemaduras por frío. Entre la fase líquida y la fase gaseosa, la tasa de dilatación térmica de este elemento es particularmente elevada. Esto puede incluso causar explosiones debido a la aceleración de la vaporización. Para evitar este peligro, es esencial instalar un dispositivo de limitación de presión. Además, los profesionales deben manipular con precaución los depósitos de helio gaseoso a 5-10 K. Deben tomar las mismas medidas que con los depósitos de helio líquido.
Este elemento químico puede presentarse bajo varias formas diferentes (cuerpo simple, plasma, gas, líquido, sólido o superfluido).
El helio es un gas noble químicamente inerte, inodoro e incoloro. Se utiliza a menudo en el marco de la experimentación de teorías físico-químicas. Actúa de la misma manera que un “gas perfecto” en un amplio panel de presiones y temperaturas. Sus dos isótopos, 3He y 4He, no disponen de punto triple. Son, además, los únicos compuestos químicos que tienen esta característica.
El helio en estado de plasma está presente en el Universo, fuera de la Tierra. Sus propiedades son muy diferentes a las del helio atómico. Sus electrones están separados del núcleo, generando así una importante conductividad eléctrica, incluso en caso de ionización parcial. De este modo, las partículas cargadas reaccionan sensiblemente al campo magnético y al campo eléctrico. En el viento solar, la interacción del helio y del hidrógeno ionizados con la magnetosfera terrestre provoca, por ejemplo, la aparición de fenómenos como las auroras boreales o las corrientes de Birkeland.
El helio gaseoso posee la conductividad térmica más elevada entre todos los gases conocidos (excepto el hidrógeno). Constituye un buen aislante eléctrico. Es el menos hidrosoluble entre todos los gases conocidos. Gracias al tamaño diminuto de sus átomos, difunde a través de los sólidos a una velocidad tres veces superior a la del aire. Su capacidad térmica específica es particularmente elevada.
Este gas noble dispone de un coeficiente de Joule-Thomson negativo a temperatura ambiente. En efecto, su temperatura aumenta durante su libre expansión. Su temperatura de inversión de Joule-Thomson se sitúa aproximadamente a 40 K (-233,15 °C a la presión de 1 atm). Cuando el helio gaseoso se enfría por debajo de esta temperatura, puede convertirse en líquido.
La solidificación del helio solo es posible bajo el efecto de fuertes presiones. El helio sólido es invisible, incoloro y fuertemente compresible. En un laboratorio, es posible comprimir su volumen hasta más del 30%. Posee un módulo de elasticidad cúbica de aproximadamente 5 × 107 Pa. Así, su compresibilidad es cincuenta veces más elevada que la del agua.
A diferencia de otros elementos, el helio conserva su estado líquido en condiciones normales de presión. Hasta el cero absoluto, no cambia. Además, el helio sólido requiere una presión de al menos 26 atm. Por otra parte, el helio líquido y el helio sólido son difíciles de distinguir. Tienen índices de refracción casi idénticos. Sin embargo, el helio sólido es reconocible por su elevado calor latente y su estructura cristalina hexagonal.
Cuando el punto de ebullición es inferior a 4,22 K y el punto lambda es superior a 2,176 8 K, el helio 4 toma la forma de un líquido normal y transparente. Este líquido criogénico se conoce con el nombre de helio I. Cuando se calienta, hierve. Cuando la temperatura disminuye, se contrae. El helio I muestra un índice de refracción cercano al de los gases, que es de 1,026. Su superficie no es fácil de ver. Por eso, los profesionales ponen flotadores de espuma de poliestireno que permiten monitorear rápidamente su nivel.
La viscosidad de este líquido incoloro es extremadamente baja. Su densidad se sitúa en 0,125 = 1/8. Es solo un cuarto del valor indicado por la física clásica. Cabe señalar que el helio conserva su estado líquido hasta el cero absoluto y a presiones por debajo de 25 atm. Esta característica lo distingue de otros elementos químicos. El nivel de energía demasiado elevado de sus átomos en el estado fundamental impide su solidificación.
Por debajo del punto lambda, el helio líquido se transforma en superfluido, llamado “helio II”. Esto se debe a la dilatación de este elemento químico. Durante el descenso de la temperatura, el helio II continúa dilatándose. A una temperatura igual o inferior a 1 K, comienza a contraerse.
El flujo de este superfluido a través de capilares entre 10-7 y 10-8 m es posible, pero la viscosidad no es medible. Sin embargo, cuando los investigadores miden la viscosidad entre dos discos que giran uno respecto al otro, distinguen una viscosidad similar a la del helio gaseoso. Este hecho puede explicarse teóricamente empleando un “modelo de dos fluidos” de László Tisza para el helio II.
El helio II presenta una conductividad térmica más elevada que la de todos los cuerpos conocidos. Así, este superfluido no hierve. La transferencia de todo aporte de calor a la superficie es realmente rápida, provocando solo la evaporación en gas. Cabe señalar que esta conductividad es un millón de veces superior a la del helio líquido. Esta característica está relacionada con el hecho de que la conducción del calor se efectúa mediante un mecanismo cuántico excepcional.
Conviene precisar que la mayoría de los materiales considerados buenos conductores térmicos disponen de una banda de valencia de electrones libres. Estos últimos aseguran la conducción del calor. Para el helio II, este tipo de banda no existe. Sin embargo, constituye un buen conductor del calor. En la práctica, en este helio superfluido, el flujo de calor se mueve a 20 m s−1 a 1,8 K. Las ecuaciones a las que obedece son comparables a las ecuaciones de onda de la propagación del sonido en el aire.
El helio II es tan diferente de los líquidos ordinarios. En efecto, puede reptar sobre superficies. Incluso es capaz de contrarrestar la gravedad. Puede escapar de un recipiente abierto reptando por los lados. Sin embargo, el helio II se evapora cuando pasa por un lugar menos frío. En todos los tipos de superficie, es capaz de desplazarse en una película de aproximadamente 30 nm (película de Rollin). Debido a la capacidad del helio II para escapar rápidamente a través de pequeñas aberturas, el helio líquido no es fácil de confinar. El recipiente debe construirse de manera que impida al helio II atravesar las válvulas o evaporarse en lugares más calientes.
En todo el Universo, el helio ocupa el segundo lugar en términos de abundancia. Representa el 23% de la masa bariónica. La mayor parte de este elemento se formó por la nucleosíntesis primordial tras el Big Bang. Por esta razón, la medida de su abundancia está incluida en el modo de cálculo de ciertos parámetros de los modelos cosmológicos.
El helio se encuentra en baja concentración en la atmósfera terrestre (5,2 x 10-6 en volumen). La producción continua de este elemento en las rocas y su fuga hacia el espacio están bien equilibradas. Esto permite mantener casi constante esta baja concentración. En cambio, este gas noble es particularmente abundante en la heterosfera terrestre.
La mayoría del helio en la Tierra se ha formado por radioactividad α (radiación provocada por la desintegración α). Este elemento está presente sobre todo en los compuestos de uranio y torio, concretamente la monacita, la pechblenda y la carnotita. Las partículas α emitidas por estos compuestos constituyen los núcleos de helio ionizado He2+. Se eliminan inmediatamente con electrones.
En la litosfera, la cantidad de helio producido anualmente se establece en 3.000 t. Su concentración en volumen se estima en 8 x 10-6 en la corteza terrestre. Se establece en solo 4 x 10-12 en el agua de mar. Este elemento también está presente en pequeñas cantidades en las aguas minerales, el hierro meteórico y los gases volcánicos.
Al igual que el gas natural, el helio está aprisionado por capas de rocas impermeables. Por eso está disponible en grandes concentraciones en los yacimientos de gas natural. Así, el helio ofrecido en venta proviene en gran parte de ahí.
La concentración en volumen del helio y la del gas natural son diferentes de solo algunas partes por millón. Se descubrió una concentración del 7% en el condado de San Juan, en Nuevo México.
Para usos industriales, la extracción del helio se efectúa por destilación fraccionada del gas natural. Este último puede contener hasta un 7%. Debido al bajo punto de ebullición del helio, los otros gases como el metano y el dinitrógeno deben someterse a alta presión y baja temperatura para licuarse.
Por exposición a temperaturas cada vez más bajas, el helio crudo extraído se purifica. En efecto, los otros gases son prácticamente evacuados. Finalmente, se utiliza carbón activado durante la fase final de la purificación. Se obtiene así helio puro al 99,995%.
El neón constituye la principal impureza del helio de calidad A. Para completar la purificación, el helio producido se licúa mayoritariamente. En este caso, el proceso utilizado es la criogenia.
Para las aplicaciones que requieren helio líquido, la licuefacción es necesaria. Además, este procedimiento reduce el coste de transporte a cargo de los proveedores de helio. Los depósitos de helio líquido son cinco veces más grandes que los remolques que transportan cilindros de helio gaseoso a presión.
En 2005, cerca de 160 millones de metros cúbicos de helio fueron extraídos del gas natural o explotados en reservas. Estas operaciones de extracción se realizaban en los Estados Unidos (83%), Argelia (11%), Rusia y Polonia. En territorio estadounidense, la mayoría del helio se extraía del gas natural Hugoton y de yacimientos situados en Texas, Kansas y Oklahoma.
El helio también puede ser extraído y purificado difundiendo el gas natural bruto a través de membranas semipermeables y otras barreras. Además, es posible sintetizarlo bombardeando boro o litio con protones de alta energía. Sin embargo, este método sigue siendo poco ventajoso en términos de coste.
A pesar de su elevado precio, el helio es particularmente solicitado en diversos campos de actividad. Esto se explica por el hecho de que este elemento posee propiedades únicas como su baja densidad, su bajo punto de ebullición, su alta conductividad térmica, su baja solubilidad y su carácter químicamente inerte.
El helio se vende en forma líquida y gaseosa en el mercado. Se puede encontrar notablemente:
En cambio, el helio gaseoso se suministra en pequeñas cantidades en cilindros a alta presión con una capacidad máxima de 8,5 m3 estándar. También está disponible en grandes cantidades. En este caso, se utilizan camiones cisterna a presión con una capacidad de hasta 5.000 m3 estándar para entregarlo.
En algunos reactores nucleares refrigerados por gas, el helio desempeña el papel de fluido de transferencia de calor. Es solicitado por su alta conductividad térmica, su carácter inerte y su transparencia a los neutrones. Además, no produce ningún isótopo radiactivo en los reactores.
Debido a su carácter inerte, el helio actúa como atmósfera protectora en las siguientes situaciones:
También se utiliza en túneles de viento supersónicos, porque además de ser químicamente inerte, dispone de una alta velocidad del sonido. Además, posee un importante coeficiente de Laplace, así como propiedades termodinámicas y caloríficas ideales, que son esenciales en este campo. Estas mismas ventajas lo convierten también en un elemento indispensable para las instalaciones de estudio de fenómenos transitorios.
Por otro lado, el helio se añade en discos duros sellados para aumentar su capacidad. Estos discos están dotados de una herramienta para detectar posibles fugas peligrosas de helio. Cabe señalar que ninguna estanqueidad es irreprochable.
Para la refrigeración termoacústica, el helio se mezcla con un gas más pesado como el xenón. En efecto, es preferido debido a su bajo número de Prandtl y su gran relación de capacidades térmicas. Además, su inercia química presenta ventajas medioambientales no despreciables. A diferencia de esto, otros sistemas de refrigeración favorecen el calentamiento global o el agujero de ozono.
El helio se emplea como detector de fugas en los depósitos a alta presión y los equipos de ultraalto vacío. Además de esto, constituye un aditivo alimentario autorizado por la Unión Europea bajo la referencia E939. En este uso, permite verificar la estanqueidad del embalaje de los productos alimentarios.
El uso del helio reduce los efectos de distorsión causados por las variaciones de temperatura en el espacio entre las lentes de ciertos telescopios. Es posible gracias al índice de refracción extremadamente bajo de este elemento químico. Este procedimiento se emplea sobre todo para los telescopios solares que sufren grandes variaciones de temperatura.
El helio líquido sirve también para enfriar ciertos metales a las temperaturas muy bajas requeridas para la superconductividad. Es especialmente el caso de los imanes superconductores empleados en los aparatos de RMN (Resonancia Magnética Nuclear). El Gran Colisionador de Hadrones en el CERN utiliza también 120 t de helio en forma líquida para conservar la temperatura de los imanes a 1,9 K.
De forma global, el campo de la criogenia utiliza ampliamente este elemento químico. Siempre en los campos científicos, estos últimos determinan la edad de las rocas y los minerales que contienen torio y uranio evaluando su contenido en helio. Este método se conoce con el nombre de “datación por helio”.
Ciertas mezclas de helio (heliox, heliair, trimix…) se utilizan para el buceo profundo. El objetivo es limitar los impactos de la narcosis por nitrógeno. Estos compuestos tienen, en efecto, una baja solubilidad en el tejido nervioso. Además, puede añadirse un poco de hidrógeno a la mezcla helio-dioxígeno para contrarrestar el síndrome nervioso de altas presiones. Esto ocurre en profundidades superiores a 150 m donde el helio de baja densidad reduce significativamente el trabajo respiratorio. Conviene citar también los láseres He-Ne que tienen numerosos usos, especialmente en los lectores de códigos de barras.
Gracias a su incombustibilidad y su baja densidad, el helio es perfecto para inflar dirigibles (un dirigible publicitario por ejemplo). Debido a su ligereza, los profesionales lo emplean para hacer flotar dirigibles y globos libres o cautivos. Además, el helio es incombustible, incluso ignífugo. Así, se prefiere al hidrógeno aunque este posea una fuerza ascensional un 7% más elevada. También hay que precisar que los globos sonda utilizados en meteorología se inflan con helio. Estos equipos sirven para explorar la atmósfera.
El uso del helio se extiende al campo de la técnica de los cohetes. Constituye un medio de desplazamiento para controlar, mediante presurización, el comburente y el combustible en los depósitos en microgravedad. Esto permite también garantizar la mezcla de hidrógeno y dioxígeno que sirve para alimentar las toberas de propulsión. Cuando el cohete está todavía en tierra, el helio se utiliza para purgar estas sustancias antes de su lanzamiento. Sirve también para pre-enfriar el hidrógeno líquido de los vehículos espaciales. A modo de ejemplo, durante su despegue, el cohete Saturn V mostraba un consumo de aproximadamente 370.000 m3 de helio.
A lo largo de los años, este elemento químico ha sido objeto de investigación de numerosos científicos.
El helio fue descubierto por el astrónomo francés Jules Janssen durante un eclipse total en Guntur, India, el 18 de agosto de 1868. Había observado una línea amarilla brillante a una longitud de onda de 587,49 nm en el espectro de la cromosfera del Sol. En esa época, aún no sabía que era helio.
El 20 de octubre de 1868, el astrónomo inglés Norman Lockyer también había percibido una línea amarilla en el espectro solar. La había bautizado “línea de Fraunhofer D3“ debido a su gran parecido con las famosas líneas D1 y D2 del sodio. Esta línea provendría de un elemento del Sol desconocido en la Tierra.
Con el químico inglés Edward Frankland, Lockyer la había nombrado “ἥλιος” o “helios” que significa “Sol”. En 1882, Luigi Palmieri había demostrado por primera vez la presencia del helio en la Tierra. Para lograrlo, este vulcanólogo y meteorólogo italiano había realizado el análisis espectral de la lava del Vesubio.
El 26 de marzo de 1895, el químico inglés William Ramsay había procedido al aislamiento del helio en la Tierra. Había tratado la cleveíta con ácidos minerales. La cleveíta es, por definición, una especie de pechblenda que contiene al menos un 10% de tierras raras. Durante su investigación, Ramsay buscaba inicialmente encontrar argón. El dinitrógeno y el dioxígeno eran separados del gas bajo la influencia del ácido sulfúrico. Después de esta etapa, el investigador había constatado en el espectroscopio una línea amarilla brillante parecida a la línea D3 que había sido observada en el espectro solar. El astrónomo Lockyer y el físico inglés William Crookes habían reconocido estas muestras como helio.
En 1895, los químicos Abraham Langlet y Theodor Cleve en Uppsala también habían aislado el helio de la cleveíta. Habían acumulado cantidades suficientes de gas, permitiéndoles ser más precisos sobre la masa atómica del elemento. Por otra parte, algunos años antes de que Ramsay descubriera el helio, el geoquímico americano William Francis Hillebrand ya había detectado este elemento químico. Decía haber notado líneas espectrales excepcionales durante el análisis de una muestra de uraninita. Las había confundido con líneas del dinitrógeno.
En 1907, Thomas Royds y Ernest Rutherford habían descubierto que los núcleos de helio están constituidos por partículas α. Habían permitido que estas partículas pasaran por una fina ventana de vidrio de un tubo vacío. Habían generado una descarga en este tubo, con el fin de analizar el espectro del gas que se encontraba allí.
En 1908, se había licuado por primera vez el helio. Esta operación fue realizada por el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes. Este último había sometido este gas a una temperatura inferior a 1 K. En esa época, este investigador también había intentado solidificar el helio a una temperatura aún más baja. Sin embargo, había fracasado en este experimento, ya que este elemento carece de punto triple. Fue el estudiante de física Willem Hendrik Keesom quien logró en 1926 la solidificación del helio sometiéndolo a presión.
En 1938, Pyotr Leonidovitch Kapitsa, físico soviético, había descubierto que la viscosidad del helio 4 (a una temperatura cercana al cero absoluto) no puede medirse. En 1972, los físicos americanos Douglas D. Osheroff, Robert C. Richardson y David M. Lee habían constatado este mismo fenómeno en el helio 3. Esta vez, el elemento estaba sometido a una temperatura que se acercaba más al cero absoluto. Según estos investigadores, la reacción en el helio 3 se debía a la formación de pares de átomos. Estos últimos serían fermiones que permiten producir bosones. Actúan de la misma manera que los pares de Cooper de electrones en los que se basa la superconductividad (ausencia de resistencia eléctrica y expulsión del campo magnético).
El helio era muy solicitado durante los períodos de guerra. Sin embargo, pequeñas cantidades eran asignadas a usos civiles y comerciales.
La marina de los Estados Unidos había financiado tres pequeñas plantas experimentales de producción de helio. Este programa pretendía proporcionar este gas inflamable y ligero a los globos cautivos de barrera. Había permitido producir hasta 5.700 m3 de helio puro al 92%. Esta producción fue utilizada en parte para alimentar el C-7 de la marina americana, primer dirigible inflado en el mundo. El 1 de diciembre de 1921, este dirigible de helio realizaba su primer viaje de Hampton Roads a Washington, en Virginia. En la época, aún no se recurría a la extracción por licuefacción del gas a baja temperatura. Esto no había impedido a los Estados Unidos continuar la producción de helio.
En 1925, el gobierno americano había creado una reserva nacional de helio, situada en Amarillo, Texas. Su objetivo era abastecer los aerostatos militares y civiles. Cuando Alemania sufrió el embargo militar impuesto por los Estados Unidos en 1937, este país conoció un problema de suministro de helio. Así, se vio obligada a inflar con hidrógeno el LZ 129 Hindenburg, el mayor dirigible comercial del mundo. Sin embargo, esta decisión había causado un terrible accidente durante el aterrizaje de este dirigible en Lakehurst, New Jersey.
Este gas noble servía esencialmente para inflar los aerostatos. Gracias a este nuevo uso, la demanda había aumentado significativamente durante la Segunda Guerra Mundial. Igualmente, el recurso al espectrómetro de masas de helio era crucial para el proyecto de investigación sobre la producción de la primera bomba atómica. El espectrómetro de masas es una técnica de detección de fugas de alta sensibilidad.
Cabe señalar que el índice de pureza del helio producido en esa época se establecía en aproximadamente el 98,3% (con menos del 2% de dinitrógeno). Este porcentaje es esencial para el buen funcionamiento de los aerostatos. En 1945, una pequeña producción de helio puro al 99,9% era empleada en el campo de la soldadura por arco. A partir de 1949, este gas purificado al 99,995% (de calidad A) estaba disponible para usos comerciales.
Después de la Segunda Guerra Mundial, se observó un descenso del consumo de helio. Sin embargo, la reserva había aumentado en los años 50. Esta servía sobre todo para abastecer de helio líquido para lanzar cohetes durante la guerra fría y la carrera espacial. En 1965, el consumo de helio de los Estados Unidos era ocho veces más elevado que el registrado durante las guerras.
Tras las enmiendas a las leyes del helio de 1960, la Oficina de Minas de los Estados Unidos había instalado cinco plantas privadas para extraer este elemento químico del gas natural. Así, este organismo había erigido un inmenso gasoducto que se extiende por 684 km entre Bushton, Kansas, y Cliffside, Texas. Allí se transportaba, inyectaba y almacenaba la mezcla helio-dinitrógeno. La extracción y la purificación eran efectuadas cuando se necesitaba.
En 1995, la reserva había podido acoger mil millones de metros cúbicos de gas. Al mismo tiempo, había desafortunadamente acumulado deudas de 1,4 mil millones de dólares estadounidenses. Por ello, el Congreso de los Estados Unidos había ordenado el cese de la actividad en 1996. Según la Ley de Privatización del Helio de 1996, el Departamento del Interior de los Estados Unidos comenzó a vaciar la reserva a partir de 2005.
Durante una perforación petrolera en Dexter, Kansas, en 1903, los técnicos habían observado un chorro de gas incombustible. El geólogo americano Erasmus Haworth había recogido allí muestras del gas producido. Las había llevado a la universidad de Kansas, Lawrence. Con la ayuda de los químicos David McFarland y Hamilton Cady, Haworth había determinado que este gas estaba constituido por un 72% de dinitrógeno, un 15% de metano y un 12% de gas no identificable. Gracias a un estudio más profundo, estos investigadores supieron que el 1,8% de la muestra de gas no identificado era helio.
En efecto, a pesar de la rareza global de este elemento en la Tierra, se encuentra en gran concentración bajo las Grandes Llanuras de los Estados Unidos. Además, el helio constituye allí un subproducto del gas natural. Cabe señalar que el yacimiento de Hugoton posee las más importantes reservas de helio. Conviene citar también los yacimientos de Kansas, así como las prolongaciones en los Estados de Texas y Oklahoma. Todos estos yacimientos han permitido a los Estados Unidos tener el estatus de primer productor de helio en el mundo.
A mediados de los años 1990, Argelia comenzó a producir helio en una planta situada en Arzew. La producción anual de este país se elevaba en promedio a 1,7 x 107 m3. Esta cantidad era suficiente para satisfacer la demanda de Europa. Esta representaba el 16% de la producción mundial. En cambio, la demanda de los Estados Unidos era superior a 15.000 t en 2000. Entre 2004 y 2006, dos plantas adicionales fueron construidas en la ciudad catarí de Ras Laffan y en la ciudad argelina de Skikda. Esta planta catarí producía 9,2 t de helio líquido por día (1,88 × 107 m3 por año).
Argelia era calificada como el segundo productor de helio en esa época. Debido al aumento de los costes de producción, los precios del helio habían subido fuertemente entre 2002 y 2007. En 2008, los principales distribuidores habían aplicado un aumento de precio de aproximadamente el 50% en solo un año. Pocos inversores querían lanzarse a la producción de helio.
En 2010, el físico americano Robert Richardson había afirmado su temor sobre el riesgo de escasez de helio. Había interpelado a la comunidad internacional. Se mostraba favorable al aumento de los precios de este elemento raro. Según él, era importante evitar el despilfarro de este recurso escaso.
En octubre de 2019, 45-8 Energy, sociedad por acciones simplificada, depositó en la prefectura de Metz un permiso exclusivo de investigaciones de minas de helio en el suroeste de Nièvre, en Francia. Esta empresa está autorizada a realizar esta actividad desde el 3 de junio de 2021. Es la primera sociedad dedicada a la exploración y la producción ecorresponsable de helio en Europa. Su sede social está ubicada en Metz, en Mosela.
De aquí a 2025, Tanzania comenzará también su producción de helio si los estudios preliminares se desarrollan bien. Este país poseería aproximadamente 138 mil millones de pies cúbicos, es decir, las mayores reservas del mundo.
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