Helium khó thay thế

Chiến tranh ở Iran và việc đóng cửa eo biển Hormuz sau đó, thật không may, đã khiến tất cả chúng ta quen thuộc với các chi tiết về chuỗi cung ứng xăng dầu mà trước đây chúng ta có thể vui vẻ bỏ qua. Mỗi ngày chúng ta nhận được một số câu chuyện mới về một số hàng hóa hoặc dịch vụ phụ thuộc vào dầu mỏ ở Trung Đông và việc sản xuất chúng đã bị gián đoạn do chiến tranh. Sản xuất phân bón, nhựa, nhôm, danh sách này vẫn tiếp tục kéo dài.

Một chuỗi cung ứng như vậy đột nhiên nhận được nhiều sự chú ý là khí heli. Helium được sản xuất như một sản phẩm phụ của quá trình khai thác khí tự nhiên: nó thu thập trong cùng các túi ngầm mà khí tự nhiên thu thập được. Qatar chịu trách nhiệm cung cấp khoảng 1/3 nguồn cung khí heli của thế giới, trước đây được vận chuyển qua eo biển Hormuz trong các container chuyên dụng. Nhờ việc đóng cửa eo biển, giá khí heli đã tăng vọt, các nhà cung cấp đang tuyên bố bất khả kháng và các doanh nghiệp đang nỗ lực giải quyết đang sắp xảy ra tình trạng thiếu hụt. (Trong nhiều năm, chính phủ Hoa Kỳ đã duy trì nguồn dự trữ khí heli chiến lược, nhưng kho dự trữ này đã đã được bán hết vào năm 2024.)

Điều tôi thấy thú vị về khí heli là trong nhiều trường hợp, rất khó để thay thế. Helium có một tập hợp các đặc tính độc đáo — đặc biệt là nó có điểm nóng chảy và điểm sôi thấp hơn bất kỳ nguyên tố nào khác — và các công nghệ cũng như quy trình dựa trên các đặc tính đó không thể dễ dàng chuyển sang một số vật liệu khác.

Helium là nguyên tố nhẹ thứ hai trong bảng tuần hoàn (sau hydro) và là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vũ trụ (cũng sau hydro). Nhưng trong khi khí heli rất phổ biến ở quy mô vũ trụ thì ở đây trên trái đất lại không dễ dàng có được nó. Vì heli rất nhẹ nên nó bay lên đến đỉnh của khí quyển, nơi cuối cùng nó thoát ra ngoài không gian.1 Vì vậy, về cơ bản tất cả heli được nền văn minh hiện đại sử dụng đều đến từ dưới lòng đất.

Helium được sản xuất thông qua sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố như uranium và thori, đồng thời nó tích tụ trong các túi khí tự nhiên dưới lòng đất. Nguồn khí heli này lần đầu tiên được phát hiện ở Hoa Kỳ vào năm 1903, khi một giếng khí đốt tự nhiên ở Kansas tạo ra một mạch khí đốt không chịu cháy. Các nhà khoa học tại Đại học Kansas cuối cùng đã xác định được rằng điều này là do sự hiện diện của khí heli. Giống như dầu mỏ, helium đã được tích tụ trong các túi này trong suốt hàng triệu năm, và do đó (giống như dầu mỏ), nguồn cung cấp helium dưới lòng đất có thể được khai thác là hạn chế. Giống như dầu mỏ, mọi người thường lo lắng rằng chúng ta sắp cạn kiệt.

Vì heli là sản phẩm phụ của quá trình khai thác khí tự nhiên và do chỉ một số mỏ khí tự nhiên có heli với số lượng đáng kể nên một số ít quốc gia chịu trách nhiệm cung cấp heli cho thế giới. Mỹ và Qatar cùng nhau sản xuất khoảng 2/3 nguồn cung khí heli của thế giới. Nga, Algeria, Canada, Trung Quốc và Ba Lan sản xuất phần lớn số dư còn lại.

Helium nguyên tố có một vài đặc tính hữu ích khác nhau. Điều quan trọng nhất là do kích thước nhỏ và lớp vỏ electron bên ngoài được lấp đầy hoàn toàn của các nguyên tử helium, helium có nhiệt độ sôi thấp hơn bất kỳ nguyên tố nào khác. Helium lỏng sôi ở nhiệt độ chỉ 4,2 kelvin (-452 độ F). Để so sánh, hydro lỏng sôi ở nhiệt độ 20 K và nitơ lỏng sôi ở nhiệt độ rất dễ chịu là 77 K.

Điểm sôi thấp của nó khiến khí heli trở nên rất hữu ích để làm cho thứ gì đó thực sự rất lạnh. Khi chất lỏng sôi, nó biến thành chất khí và trong quá trình này, nó sẽ hút năng lượng từ môi trường xung quanh do quá trình làm mát bay hơi. Đây là lý do tại sao cơ thể bạn đổ mồ hôi: để làm mát cơ thể khi chất lỏng bay hơi. Khi chất lỏng có điểm sôi rất thấp, quá trình chiết nhiệt này xảy ra ở nhiệt độ rất thấp. Helium cũng ở dạng lỏng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với các nguyên tố khác. Nitơ đóng băng ở thể rắn ở 63 K, và hydro đóng băng ở 14 K, nhưng ở áp suất khí quyển, heli vẫn ở dạng lỏng cho đến độ không tuyệt đối. Nếu bạn cần làm lạnh một thứ gì đó xuống chỉ vài độ trên độ không tuyệt đối thì helium lỏng về cơ bản là cách thực tế duy nhất để làm điều đó.

Helium cũng có một vài đặc tính hữu ích khác. Như chúng tôi đã lưu ý, helium rất nhẹ: nó sẽ bay lên một cách tự nhiên trong khí quyển, điều này khiến nó trở nên hữu ích như một loại khí nâng. Nhờ lớp vỏ electron bên ngoài được lấp đầy nên nó trơ và không phản ứng với các vật liệu khác. Heli cũng có tính dẫn nhiệt cao — ở nhiệt độ phòng, heli có thể truyền nhiệt tốt hơn không khí khoảng sáu lần.

Thế giới sử dụng khoảng 180 triệu mét khối heli mỗi năm. (Con số này nghe có vẻ nhiều nhưng nó chỉ bằng 0,11% trong số 159 tỷ mét khối nitơ thế giới sử dụng mỗi năm và 0,004% trong số hơn 4 nghìn tỷ mét khối khí tự nhiên mà thế giới sử dụng thế giới sử dụng mỗi năm.) Nhưng mặc dù nó không được sử dụng với số lượng lớn so với một số loại khí khác, nhưng heli vẫn khá quan trọng. Các ngành công nghiệp khác nhau sử dụng các đặc tính của helium theo những cách khác nhau và mặc dù trong một số trường hợp có những chất thay thế hợp lý cho helium, nhưng trong hầu hết các trường hợp, helium không có sự thay thế thực tế nào.

Máy MRI

Một số người tiêu dùng helium lớn nhất là những người vận hành máy MRI, tiêu thụ khoảng 17% lượng helium được sử dụng ở Hoa Kỳ. Máy MRI hoạt động bằng cách tạo ra từ trường rất mạnh, làm thay đổi hướng của các nguyên tử hydro trong các mô trong cơ thể bạn. Sau đó, một xung sóng vô tuyến sẽ được gửi vào cơ thể bạn, tạm thời làm gián đoạn định hướng này. Khi xung dừng, các loại mô khác nhau trở lại vị trí thẳng hàng với từ trường ở các tốc độ khác nhau và tốc độ thay đổi đó có thể được đo và chuyển đổi thành hình ảnh bên trong cơ thể. Từ trường mạnh trong máy MRI được tạo ra bởi nam châm siêu dẫn: khi một số vật liệu đủ lạnh, chúng giảm điện trở xuống bằng 0, điều này giúp cho một lượng dòng điện khổng lồ chạy qua chúng và tạo ra từ trường cực mạnh.2 Phần lớn các máy MRI được sử dụng ngày nay sử dụng nam châm siêu dẫn được làm từ niobi-titan (NbTi), trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ 9,2 độ trên độ không tuyệt đối. Nhiệt độ này thấp hơn nhiều so với điểm sôi của bất kỳ chất làm mát nào khác, khiến helium lỏng trở thành lựa chọn thực tế duy nhất để làm mát nam châm. Một số máy MRI đã được chế tạo bằng cách sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao hơn không cần làm mát bằng khí heli, nhưng phần lớn trong số 50.000 máy MRI hiện có trên thế giới đều yêu cầu khí heli.

Mức tiêu thụ khí heli của máy MRI đã giảm mạnh thời gian. Các máy MRI đời đầu sẽ mất heli với tốc độ khoảng 0,4 lít mỗi giờ, cần có thùng chứa lớn 1000-2000 lít cần được nạp lại vài tháng một lần. (Rất khó để ngăn chặn khí heli rò rỉ ra khỏi thùng chứa, đó là lý do tại sao heli cũng thường được sử dụng để phát hiện rò rỉ.) Nhưng các máy MRI hiện đại “không bốc hơi”, về cơ bản không bao giờ cần phải sạc lại bằng khí heli. Khi các máy này chiếm nhiều thị phần hơn, nhu cầu khí heli của máy MRI có thể sẽ giảm. Nhưng trong tương lai gần, MRI sẽ vẫn là một nguồn nhu cầu đáng kể.

Chất bán dẫn

Một ngành tiêu thụ helium lớn khác là ngành công nghiệp bán dẫn, sử dụng xung quanh 25% khí heli trên toàn thế giới và khoảng 10% lượng khí heli ở Hoa Kỳ.3 Cũng như máy MRI, khí heli được dùng để làm mát nam châm siêu dẫn, dùng để tăng độ tinh khiết của thỏi silicon được tạo ra bằng phương pháp Czochralski. Helium cũng được sử dụng làm chất làm mát trong một số quy trình sản xuất, cũng như làm khí không phản ứng để xả một số thùng chứa, phát hiện rò rỉ và cho nhiều mục đích sử dụng khác. Một Báo cáo năm 2023 từ Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn đã lưu ý rằng helium đã được sử dụng “làm khí mang, trong truyền năng lượng và nhiệt với tốc độ và độ chính xác, trong điều hòa phản ứng, để làm mát mặt sau và khóa tải, trong quang khắc, trong buồng chân không và để dọn dẹp.” Báo cáo tương tự cũng lưu ý rằng đối với nhiều mục đích sử dụng này, heli không có tác dụng chất thay thế.

Không giống như các máy MRI ngày càng sử dụng ít khí heli theo thời gian, việc sử dụng khí heli trong ngành bán dẫn dường như đang có xu hướng tăng lên: một số nguồn cho rằng lượng khí heli mà ngành bán dẫn tiêu thụ dự kiến sẽ tăng theo hệ số năm vào năm 2035. Điều này dường như một phần là do sự phát triển của máy in thạch bản bán dẫn DUV và EUV, vốn cần khí heli để hoạt động. Không giống như nhiều loại khí khác, helium hầu như không hấp thụ bức xạ EUV, điều này (theo tôi hiểu) khiến cho việc thay thế helium trong máy EUV.

Sợi quang học

Helium cũng là một loại khí dùng trong sản xuất cáp quang. Cáp quang được chế tạo với lõi bên trong bằng thủy tinh, được bao quanh bởi một “ống bọc” bên ngoài bằng thủy tinh có chiết suất khác nhau. Điều này giữ các photon ở bên trong lõi thông qua hiện tượng phản xạ nội toàn phần. Trong quá trình sản xuất, helium được sử dụng làm chất làm mát khi “ống bọc” bên ngoài được lắng đọng vào lõi - với bất kỳ bầu không khí nào khác, bong bóng sẽ hình thành giữa hai lớp thủy tinh. Khoảng 5-6% khí heli trên toàn thế giới được sử dụng để sản xuất sợi quang và không có giải pháp thay thế nào được biết đến.

Khí tẩy

Ngoài sản xuất chất bán dẫn, các ngành công nghiệp khác (đặc biệt là ngành hàng không vũ trụ) sử dụng khí heli làm "khí tẩy" để làm sạch các thùng chứa. Làm sạch một thùng chứa hydro lỏng, thường được sử dụng làm nhiên liệu tên lửa lỏng, cần một loại khí có nhiệt độ sôi đủ thấp để nó không bị đóng băng khi tiếp xúc với hydro. Làm sạch bình chứa oxy lỏng không cần khí có nhiệt độ sôi khá thấp, nhưng tốt nhất nên sử dụng khí trơ để giảm nguy cơ phản ứng với oxy phản ứng cao. Việc thanh lọc hàng không vũ trụ chiếm khoảng 7% lượng tiêu thụ helium của Hoa Kỳ. Khoảng một nửa trong số đó được sử dụng bởi NASA, người sử dụng helium lớn nhất ở Hoa Kỳ.

Dùng khí nâng

Vì helium nhẹ hơn không khí, nó còn được sử dụng làm khí nâng trong khinh khí cầu và khí cầu nhẹ hơn không khí để thay thế cho khí hydro rất dễ cháy. Ví dụ: mỗi Goodyear Blimp sử dụng khoảng 300.000 feet khối khí heli. Khoảng 18% lượng khí heli tiêu thụ ở Hoa Kỳ được sử dụng làm khí nâng.

Nghiên cứu khoa học và dụng cụ

Helium cũng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học. Phần lớn công suất này là để giữ lạnh mọi thứ: nam châm siêu dẫn, chẳng hạn như nam châm được sử dụng trong Máy va chạm Hadron lớn, thường cần heli, cũng như các nguyên tố siêu dẫn trong SQUID, mà là những máy dò từ trường có độ nhạy cao. Helium cũng được sử dụng trong máy quang phổ khối, được dùng để phát hiện các rò rỉ cực nhỏ trong các thùng chứa.

Đây là một loại mục đích sử dụng chính ở Hoa Kỳ; khoảng 22% lượng tiêu thụ khí heli của nó được dùng cho “khí phân tích, kỹ thuật, phòng thí nghiệm, khoa học và khí đặc biệt”.

Hàn

Ở Hoa Kỳ, khí heli cũng được sử dụng để hàn: nó tính dẫn nhiệt cao và tính trơ của nó làm cho heli trở thành một loại khí bảo vệ tuyệt vời, giúp ngăn chặn bể kim loại nóng chảy bị ô nhiễm trước khi nguội. Ở Hoa Kỳ, hàn chiếm khoảng 8% lượng sử dụng khí heli nhưng ở những nơi khác trên thế giới, việc sử dụng các loại khí bảo vệ khác như argon lại phổ biến hơn.

Lặn

Helium cũng được dùng làm khí thở khi lặn thương mại dưới biển sâu. Ở độ sâu hơn 30 mét, việc hít thở nitơ (chiếm 78% không khí bình thường) gây ra mê mê nitơ và việc lặn ngoài độ sâu này được thực hiện bằng cách sử dụng hỗn hợp khí thay thế một phần nitơ thành heli. Khoảng 5% lượng khí heli tiêu thụ ở Hoa Kỳ được dùng cho hoạt động lặn.

Khó có thể thay thế khí heli dùng cho hoạt động lặn. Hầu như mọi loại khí dễ thở khác ngoại trừ neon đều có thể gây mê ở một mức độ nào đó và neon nặng hơn heli, khiến việc thở trở nên khó khăn hơn.

Đối với một số ứng dụng này, có thể thay thế heli bằng các vật liệu khác. Có những loại khí bảo vệ khác, chẳng hạn như argon, có thể được sử dụng để hàn và các loại khí nâng khác, chẳng hạn như hydro, có thể được sử dụng cho bóng bay hoặc khí cầu. Trong các ứng dụng khác, có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ khí heli thông qua các hệ thống tái chế hoặc các phương pháp khác được thiết kế để giảm mức sử dụng khí này. Như chúng tôi đã lưu ý, điều này đã xảy ra với các máy MRI, trong đó các máy hiện đại sử dụng ít khí heli hơn nhiều so với các máy tiền nhiệm. Và nó dường như đã xảy ra với việc thanh lọc hàng không vũ trụ. Báo cáo năm 2010 từ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia lưu ý rằng nếu NASA và Bộ Quốc phòng có đủ động lực, họ có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ khí heli bằng cách tái chế nó. Kể từ đó, việc sử dụng helium trong ngành hàng không vũ trụ đã giảm từ 18,2 triệu mét khối (26% tổng lượng tiêu thụ của Hoa Kỳ) xuống còn 4 triệu mét khối (7% tổng lượng tiêu thụ của Hoa Kỳ). Nhưng Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ lưu ý rằng hầu hết khí heli ở Hoa Kỳ vẫn chưa được tái chế và có rất nhiều cơ hội để giảm đáng kể việc sử dụng khí heli bằng nhiều hệ thống thu hồi và tái chế khác nhau. Nhiều hệ thống trong số này có khả năng giảm mức tiêu thụ khí heli từ 90% trở lên.

Nhưng “giảm” không có nghĩa là “loại bỏ” và tôi thấy thú vị là trong rất nhiều trường hợp dường như không có bất kỳ sự thay thế tốt nào cho heli.