غاز الهيليوم: كيف تستعد الدول لمواجهة نقص هذا العنصر؟

تعتمد حياتنا بشكل مذهل على غاز خفيف وخامل رغم هشاشة إمداداته، وهو غاز الهيليوم.

شعرت نانسي واشنطن بالإحباط عندما علمت بعدم وصول شحنة الهيليوم. تلقّت وفريقها من الكيميائيين في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني بالولايات المتحدة إشعاراً مفاجئاً من موردهم يفيد بعدم توافر شحنتهم المعتادة من الغاز، الضروري لإجراء العديد من التجارب.

أدى النقص إلى تقليص إمدادات الهيليوم، واضطر المختبر ببساطة إلى الاكتفاء بكمية أقل، ففي الأسابيع الأولى من ذلك العام، تراجعت الإمدادات إلى ما دون 2500 لتر (660 جالوناً) كان يستقبلها المختبر عادةً، وبحلول أبريل/ نيسان، أي بعد شهرين فقط، لم يكن المختبر يحصل إلا على أقل من نصف احتياجاته من الهيليوم.

نظراً لامتلاك المختبر عدداً محدوداً من الأجهزة التي تحتاج إلى إعادة تعبئة منتظمة بالهيليوم السائل، لم يكن أمامه خيار سوى إعطاء الأولوية للأجهزة الأكثر أهمية، ومن بينها كان مطياف الرنين المغناطيسي النووي المفضل لدى نانسي، وهو برج ضخم قادر على تحليل البنية الجزيئية للذرات، وتساعد قياساته في تطوير تقنيات مثل البطاريات وأنظمة تخزين الطاقة.

كان هذا المطياف هو الوحيد من نوعه في أمريكا الشمالية، وبعد أقل من 12 شهراً من تركيبه، أظهر نتائج مثيرة للاهتمام!

فعند تشغيله على عينات من أكسيد المغنيسيوم، أظهر أن هذه المعادن قادرة على سحب الكربون من الغلاف الجوي، وقد اكتُشفت هذه "المعدنة الكربونية" منذ فترة طويلة كوسيلة لمكافحة انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، لكن النتائج أظهرت مدى فائدة هذه المعادن.

تقول واشنطن: "لم يكن هناك دليل واضح سابقاً على تكوّن الكربونات على هذه الأنواع من أكاسيد المغنيسيوم"، وتضيف: "لم أصدق البيانات في البداية، لكن الحصول عليها والطريقة التي سارت هذا الاكتشاف بها كان أمراً مذهلاً".

لكن سرعان ما اضطر كل هذا العمل إلى التوقف فجأة.

إذ شكّل معدل استهلاك هذا الجهاز للهيليوم مشكلة، أدى ذلك لتبعات وصفتها واشنطن بأنها "صادمة"، حيث تم فصل الطاقة عن الجهاز وإيقافه مؤقتاً، وعُلقت تجاربه، و بقي الجهاز غير قابل للاستخدام لعدة أشهر حتى يتم تأمين المزيد من الهيليوم. واليوم على الرغم من أنه عاد للعمل، إلا أن المختبر لديه كمية الهيليوم التي يحتاجها بشكل مؤقت فقط.

ما هي استخدامات الهيليوم؟

يتم تسليط الضوء على مدى ضعف إمدادات الهيليوم، وأسباب السعي العالمي لإيجاد طرق للحفاظ على هذا الغاز الأساسي وإعادة تدويره.

لم يقتصر تأثير النقص في عام 2022 على الباحثين وحدهم؛ قد لا تدرك ذلك، لكن الهيليوم يدخل في العديد من المنتجات والعمليات التي تواجهها يوماً.

على سبيل المثال، تُعدّ المستشفيات أكبر مستهلك للهيليوم عالمياً، إذ تمثل نحو 32 في المئة من السوق، حيث يُستخدم هذا الغاز في تبريد المغناطيسات داخل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).

كما يُستخدم الهيليوم في تصنيع أشباه الموصلات (رقائق الحاسوب)، التي تُعدّ أساس الأجهزة الإلكترونية. كما يستخدم في اللحام، بل وحتى في ضغط خزانات وقود الصواريخ التي تُطلق الأقمار الصناعية إلى المدار. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ الهيليوم جزءاً من خليط الغازات المُستخدم في نفخ الوسائد الهوائية المخصصة للسلامة في السيارات.

الهيليوم غاز عديم الرائحة وخفيف للغاية، وعلى عكس عنصر آخر خفيف جداً كان يُستخدم سابقاً في المناطيد، وهو الهيدروجين، فإنه لا يشتعل أبداً. عند تبريده، يتحول إلى سائل فقط عند درجة حرارة شديدة الانخفاض، تبلغ حوالي 4.2 كلفن (-269 درجة مئوية/-452 فهرنهايت).

إضافةً إلى ذلك، لا يتجمد الهيليوم تحت الظروف الجوية العادية، حتى عند الوصول إلى الصفر المطلق (0 كلفن أو -273 درجة مئوية/-460 فهرنهايت)، هذا يجعله مفيداً للغاية.

تقول صوفيا هايز، أستاذة الكيمياء بجامعة واشنطن في سانت لويس: "الهيليوم عنصرٌ سحري، لا مثيل له في الكون".يكتسب الهيليوم السائل خصائص فريدة عند تبريده إلى ما يقارب الصفر المطلق، حيث يتحول إلى سائل فائق يتميز بانعدام الاحتكاك. إذا حُرِّك كوب يحتوي على هذا السائل، فسيستمر في الدوران داخله نظرياً إلى الأبد. يُعد الهيليوم فائق السيولة ضرورياً للموصلات الفائقة واسعة النطاق، مثل تلك المستخدمة في مصادم الهدرونات الكبير في سيرن، الواقع على الحدود بين سويسرا وفرنسا.

منذ عام 2006، تواجه الكميات المعروضة من الهيليوم نقصاً متكرراً، بدأت مؤشرات النقص تظهر في يناير/ كانون الثاني 2022، ثم عادت للتحسن في العام التالي، إلا أن إمدادات الهيليوم ظلت محدودة، حيث يكافح المنتجون لمواكبة الطلب المتزايد.

من المتوقع أن يزداد الطلب على الهيليوم بشكل كبير، إذ يقدّر بعض المحللين أنه قد يتضاعف بحلول عام 2035، وذلك نظراً لدوره الحيوي في تصنيع أشباه الموصلات وبطاريات المركبات الكهربائية، بالإضافة إلى استخداماته في مجالات الطيران والفضاء.

هناك مصدران فقط للهيليوم: تفاعلات الاندماج النووي عالية الطاقة داخل النجوم، بما فيها الشمس، والتحلل التدريجي للعناصر المشعة في قشرة الأرض.

ونظراً لعدم قدرتنا على تصنيع الهيليوم صناعياً بالتقنيات الحالية، فإنه يُعد مورداً محدوداً، وبدلاً من إنتاجه، يُستخرج عادةً مع الغاز الطبيعي عبر حفر آبار عميقة في باطن الأرض، وهي عملية لا تزال مقتصرة على عدد قليل من الشركات عالمياً.

يعتبر الهيليوم عنصراً يصعب احتواؤه، فقد أسهم استخراج وحرق الوقود الأحفوري في زيادة تراكمه في الغلاف الجوي للأرض خلال العقود الأخيرة، ما أدى إلى استنزاف احتياطياته التي كانت محفوظة داخل الكوكب.

لكن بسبب خفته الشديدة، يتسرب الهيليوم تدريجياً من الغلاف الجوي متجهاً إلى الفضاء. وعندما يكون في حالته فائقة السيولة، يمكنه النفاذ عبر أضيق الشقوق والثقوب، بل وحتى التدفق صعوداً على الجدران، هذه الخصائص تجعل التعامل معه وتخزينه تحدياً كبيراً، إذ يمكن أن يضيع بسهولة بعد الاستخدام.

كل هذه العوامل تجعل سلسلة توريد الهيليوم غير مستقرة، ما تسبب في حدوث أربع أزمات نقص عالمية خلال العشرين عاماً الماضية فقط.

أبرز هذه الأزمات عندما أدى النقص الحاد في الهيليوم عام 2022 إلى إفساد بعض أبحاث واشنطن، وذلك حدث بعد سلسلة من الحرائق في مصنع روسي كبير لمعالجة الغاز في منطقة أمور في سيبيريا.

وفاقمت الحرب في أوكرانيا المشكلة من خلال زيادة أزمة الإمدادات، حدث ذلك بالتزامن مع توقف مصنع الهيليوم في قطر عن العمل للصيانة المخطط لها. وفي الوقت نفسه، تم إغلاق وحدة تخصيب الهيليوم الخام في الاحتياطي الوطني الأمريكي للهيليوم خلال صيف عام 2021، ومرة أخرى لمدة أربعة أشهر في نهاية يناير 2022.

أدى إغلاق تلك المراكز في الولايات المتحدة إلى إزالة حوالي 10 في المئة من الطاقة الإنتاجية العالمية للهيليوم من سلسلة التوريد، وقد أدت هذه الحوادث مجتمعة إلى نقص مفاجئ وسلطت الضوء على مدى ضعف إمدادات الهيليوم في العالم.

وبحلول عام 2023، تضاعف سعر البيع الصناعي للهيليوم تقريباً عما كان عليه قبل خمس سنوات، ليصل إلى أعلى مستوى له على الإطلاق.

على الرغم من زيادة إنتاج الهيليوم منذ ذلك الحين، لا يزال العالم يواجه اضطرابات محتملة تؤدي إلى تقلبات في أسعار السوق.

ففي سبتمبر 2024، فرض الاتحاد الأوروبي عقوبات جديدة على روسيا بسبب حربها في أوكرانيا، شملت حظر استيراد الهيليوم.

ورغم أن روسيا لا تمثل سوى 1 في المئة من واردات الاتحاد الأوروبي من الهيليوم، إلا أن هذه الخطوة زادت من الضغوط على الإمدادات. بالإضافة إلى ذلك، أسهم بيع أكبر احتياطي عالمي من الهيليوم – الاحتياطي الفيدرالي الأمريكي – في زيادة حالة عدم الاستقرار في السوق.

كانت الولايات المتحدة مسؤولة لعدة عقود، عن توفير نحو عُشر إمدادات الهيليوم العالمية، وذلك من مخزون اتحادي تحت الأرض أُنشئ قبل قرن بالقرب من أماريلو، تكساس، ولكن في يونيو/ حزيران 2024، باع مكتب إدارة الأراضي، المسؤول عن إدارة احتياطي الهيليوم الأمريكي، آخر كميات الهيليوم الفيدرالي لشركة ميسر الألمانية لتوريد الغاز.

وقبيل إتمام الصفقة، حذّرت الأكاديميات الوطنية الأمريكية للعلوم والهندسة والطب في تقريرٍ من أن بيع هذا الاحتياطي الاستراتيجي لشركة تجارية قد يزيد من حالة عدم الاستقرار في سوق الهيليوم.

حثت هيئات تجارية، بما في ذلك رابطة الغاز المضغوط وجمعية التكنولوجيا الطبية المتقدمة (أدفا ميد)، الحكومة الأمريكية على تأجيل عملية البيع بحجة أنها قد تؤدي إلى "أزمة في سلسلة التوريد".

كما أشارت شركة "بريمير" للرعاية الصحية، التي تورّد الهيليوم لآلاف المستشفيات، إلى أن عملية البيع قد يكون لها تأثير سلبي على رعاية المرضى.

ورغم أن هذه المخاوف لم تتحقق حتى الآن، إلا أن هناك مؤشرات تدل على أن الأمور لا تسير جيداً.

بعد أشهر من عملية البيع، اضطرت شركة (ميسر) إلى طلب أمر تقييدي مؤقت لمنع إغلاق وحدة تخصيب الهيليوم الخام مرة أخرى على خلفية قضايا تعاقدية.

وفي وقت لاحق، تم وضع الشركة التي تدير وحدة التخصيب تحت الحراسة القضائية. مع ذلك، أكدت شركة (ميسر) أن نظام الهيليوم لديها "يعمل بكفاءة ودون انقطاع منذ الاستحواذ عليه في يونيو/حزيران السابق، مع توقع أن تستمر العمليات بسلاسة ودون مشاكل في المستقبل".

لكن تحليلاً حديثاً لإمدادات الهيليوم يشير إلى أن هذا المورد الطبيعي من المرجح أن يكتسب أهمية جيوسياسية متزايدة خلال السنوات القادمة مع تزايد الطلب عليه وتزايد المنافسة عليه.

تستحوذ الولايات المتحدة على نحو 46 في المئة من المعروض العالمي من الهيليوم، تليها قطر بنحو 38 في المئة، ثم الجزائر 5 في المئة. في حال انقطاع الإمدادات الأمريكية مجدداً، فسيكون التأثير ملموساً في جميع أنحاء العالم.

مع ذلك، دفعت سنوات من شح إمدادات الهيليوم وتقلبات أسعاره الهيئات الأكاديمية والتجارية والطبية إلى استكشاف أساليب أكثر استدامة لاستهلاك الهيليوم، تستهدف هذه الجهود أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي،التي تُعد من أكبر مستهلكي الهيليوم.

يتطلب جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدي ما يقارب 2000 لتر من الهيليوم السائل لتبريد المغناطيسيات التي يحتاجها الجهاز.

وتحتاج هذه الأجهزة إلى إعادة تعبئة دورية، إذ إنه بدون التبريد بالهيليوم، ستسخن المغناطيسات، ما يؤدي إلى تبخر الهيليوم الموجود في الخزان ثم إخراجه بالكامل في عملية تُعرف باسم "التبريد المفاجئ".

ورغم ندرة حدوث ذلك، إلا أنه يشكل خطراً كبيراً؛ حيث يُفقد الهيليوم بالكامل، ما يتطلب بضعة آلاف من اللترات الإضافية لإعادة تشغيل الجهاز.

وفي حال تسبب التبريد المفاجئ في أضرار جسيمة، فقد يصبح استبدال الجهاز بالكامل أمراً ضرورياً، ما من شأنه تكبّد تكاليف باهظة.

الآن، بدأ ظهور جيل جديد من أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي التي تتطلب كمية هيليوم أقل بكثير، فالعديد من هذه الأجهزة منخفضة الهيليوم لا تحتاج إلا إلى لتر واحد من الهيليوم لتشغيلها، ما يجعلها مغلقة بإحكام.

في السنوات الأخيرة، بدأت هذه الأجهزة بالظهور في المستشفيات والمؤسسات البحثية.

لكن هناك تحديات، فهذه الأجهزة التي تستهلك كميات أقل من الهيليوم تُعد مكلفة، وسيستغرق استبدال أكثر من 35 ألف جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي في العالم إلى سنوات عديدة.

كما أن أجهزة المسح الجديدة قادرة فقط على إنتاج قوة مجال مغناطيسي تبلغ حوالي 1.5 تسلا، أي ما يقارب نصف ما تنتجه الأجهزة السابقة الأكثر قوة.

تقول شارون جايلز، مديرة عمليات التصوير السريري والبحثي في كلية كينجز كوليدج لندن: "تتمتع أجهزة المسح ذات قوة المجال الأعلى بالقدرة على المسح بتفاصيل أدق و/أو أسرع من أجهزة المسح ذات قوة المجال الأقل". لذا، فإن استخدام هذه الأجهزة منخفضة الهيليوم يبقى محدوداً.

اتجه باحثون آخرون إلى استكشاف طرق للاستغناء عن الهيليوم تماماً، وذلك من خلال تطوير مواد فائقة التوصيل لا تتطلب التبريد إلى درجات حرارة شديدة الانخفاض.

بدأ الباحثون في تعزيز استدامة مواردهم من خلال إعادة تدوير الهيليوم على نطاق واسع، تتيح أنظمة استعادة الهيليوم التقاط وإعادة استخدام الغاز المتبخر، الذي كان سيفقد لولا ذلك.

يقول نيكولاس فيتزكي، مدير منشأة الرنين المغناطيسي النووي (NMR) بجامعة ولاية ميسيسيبي حول قضية استعادة الهيليوم: "سيمكننا هذا النظام من استرجاع نحو 90 في المئة من الهيليوم الذي نستهلكه سنوياً." ويضيف: "عند إعداد المقترح، أجرينا الحسابات ووجدنا أن التكلفة الإجمالية للنظام تجاوزت قليلاً 300 ألف دولار أمريكي، ومن المتوقع أن يغطي النظام تكاليفه خلال ست سنوات".

لكن تركيب تقنية استعادة الهيليوم، التي تتضمن تركيبات معقدة من الأنابيب والوصلات التي يجب تركيبها عبر أجهزة المنشأة، يعد عملية معقدة تستغرق وقتاً طويلاً.

كما أن هذه الأنظمة قد تتعرض للعطل أو التسرب، وحتى عند تنفيذها بشكل صحيح، تخشى نانسي واشنطن من أن البعض قد لا يدرك فائدتها بشكل كامل. تقول: "إذا قلنا أننا نحتاج إلى 600 ألف دولار لتركيب وحدتين لاستعادة الهيليوم، سيقول البعض ما الفائدة من ذلك لنا؟ فالأمر يشبه تركيب أنابيب جديدة'"، مشيرةً إلى أن هذا النوع من العمل يفتقر إلى عنصر "البراعة" الذي يبرر بعض الاستثمارات العلمية الأخرى.

ولكن قد تلوح في الأفق أيضاً بوادر ارتياح، فقطر في طريقها لافتتاح مصنع جديد للهيليوم بحلول عام 2027، بينما بدأت شركات أخرى البحث عن حقول تحت الأرض لم تُستغل سابقاً.

في عام 2016، عُثر على أكبر احتياطي للهيليوم في العالم في تنزانيا، ومن المقرر أن يبدأ الإنتاج فيه عام 2025. كان هذا أول حقل غاز هيليوم يُكتشف بشكل متعمد، وسيُمثل بدء العمليات هناك أول مرة يُستخرج فيها الهيليوم على نطاق واسع، بدلاً من استخدامه كمنتج ثانوي لاستخراج الغاز الطبيعي الملوث.

كما اكتُشفت احتياطيات كبيرة من الهيليوم في حوض خليج بوهاي الصيني.

ساهم كريستوفر بالنتين، رئيس قسم الكيمياء الجيولوجية في قسم علوم الأرض بجامعة أكسفورد، في البحث العلمي الذي ساعد في نهاية المطاف على تحديد موقع رواسب الهيليوم في تنزانيا. لكنه يحذر من المبالغة في الحماس. ويقول: "يتطلب تحدي العثور على رواسب هيليوم كبيرة لتلبية الطلب العالمي المتزايد تمويلاً كبيراً وفترة تحضير طويلة".

لقد ذكّرتنا الإمدادات المتقلبة في السنوات الأخيرة بمدى نفاد هذا المورد الثمين، ومدى سرعة استنزافه.

تؤكد واشنطن على المخاطر قائلة: "تخيلوا لو لم يكن هناك ما يكفي من الهيليوم، ولم تتمكن جدتكم من إجراء تصوير بالرنين المغناطيسي لأن موصلها الفائق قد تعطل. هذا أمر خطير، وعلينا التعامل معه."