Helio

El helio (del griego: ἥλιος, romanizado: Helios, iluminado. ‘Sol’) es un elemento químico con el símbolo Él y el número atómico 2. Es un gas monatómico incoloro, inodoro, insípido, no tóxico e inerte, el primero del grupo de los gases nobles en la tabla periódica. Su punto de ebullición es el más bajo de todos los elementos. El helio es el segundo elemento más ligero y el segundo más abundante en el universo observable (el hidrógeno es el más ligero y el más abundante). Está presente en alrededor del 24% de la masa total de los elementos, que es más de 12 veces la masa de todos los elementos más pesados combinados. Su abundancia es similar a esto tanto en el Sol como en Júpiter. Esto se debe a la muy alta energía de unión nuclear (por nucleón) del helio-4, con respecto a los tres elementos siguientes después del helio. Esta energía de unión del helio-4 también explica por qué es un producto tanto de la fusión nuclear como de la desintegración radiactiva. La mayor parte del helio en el universo es helio-4, la gran mayoría del cual se formó durante el Big Bang. Grandes cantidades de nuevo helio están siendo creadas por la fusión nuclear del hidrógeno en las estrellas.

El helio es llamado así por el Titán griego del Sol, Helios. Fue detectado por primera vez como una firma de línea espectral amarilla desconocida en la luz solar, durante un eclipse de sol en 1868 por Georges Rayet, el Capitán C. T. Haig, Norman R. Pogson, y el Teniente John Herschel, y fue posteriormente confirmado por el astrónomo francés, Jules Janssen. A menudo se atribuye a Janssen la detección del elemento, junto con Norman Lockyer. Janssen registró la línea espectral del helio durante el eclipse de sol de 1868, mientras que Lockyer la observó desde Gran Bretaña. Lockyer fue el primero en proponer que la línea se debía a un nuevo elemento, que él nombró. El descubrimiento formal del elemento fue hecho en 1895 por dos químicos suecos, Per Teodor Cleve y Nils Abraham Langlet, quienes encontraron helio emanando del mineral de uranio, cleveita, que ahora no se considera una especie mineral separada sino una variedad de uraninita. En 1903 se encontraron grandes reservas de helio en yacimientos de gas natural en algunas partes de los Estados Unidos, que es con mucho el mayor proveedor de gas en la actualidad.

El helio líquido se utiliza en la criogenia (su mayor uso individual, absorbiendo alrededor de un cuarto de la producción), en particular en el enfriamiento de imanes superconductores, siendo la principal aplicación comercial los escáneres de resonancia magnética. Los otros usos industriales del helio -como gas de presurización y purga, como atmósfera protectora para la soldadura por arco y en procesos como el cultivo de cristales para fabricar obleas de silicio- representan la mitad del gas producido. Un uso conocido pero menor es como gas de elevación en globos y aeronaves. Como ocurre con cualquier gas cuya densidad difiere de la del aire, la inhalación de un pequeño volumen de helio cambia temporalmente el timbre y la calidad de la voz humana. En la investigación científica, el comportamiento de las dos fases fluidas del helio-4 (helio I y helio II) es importante para los investigadores que estudian la mecánica cuántica (en particular la propiedad de superfluidez) y para los que estudian los fenómenos, como la superconductividad, producidos en la materia cerca del cero absoluto.

En la Tierra es relativamente raro, 5,2 ppm por volumen en la atmósfera. La mayor parte del helio terrestre presente hoy en día se crea por la desintegración radiactiva natural de los elementos radiactivos pesados (torio y uranio, aunque hay otros ejemplos), ya que las partículas alfa emitidas por dichas desintegraciones consisten en núcleos de helio-4. Este helio radiógeno es atrapado con el gas natural en concentraciones tan grandes como el 7% en volumen, del que se extrae comercialmente mediante un proceso de separación a baja temperatura llamado destilación fraccionada. Anteriormente, se pensaba que el helio terrestre -un recurso no renovable, ya que, una vez liberado en la atmósfera, se escapa fácilmente al espacio- era cada vez más escaso. Sin embargo, estudios recientes sugieren que el helio producido en las profundidades de la tierra por la desintegración radiactiva puede acumularse en las reservas de gas natural en cantidades mayores que las esperadas, en algunos casos, habiendo sido liberado por la actividad volcánica.

Historia

La primera evidencia de helio se observó el 18 de agosto de 1868, como una línea amarilla brillante con una longitud de onda de 587,49 nanómetros en el espectro de la cromosfera del Sol. La línea fue detectada por el astrónomo francés Jules Janssen durante un eclipse total de sol en Guntur, India. Inicialmente se asumió que esta línea era de sodio. El 20 de octubre del mismo año, el astrónomo inglés Norman Lockyer, observó una línea amarilla en el espectro solar, la cual, denominó D3 porque estaba cerca de las conocidas líneas de sodio D1 y D2 de la línea Fraunhofer. Concluyó que fue causada por un elemento del Sol desconocido en la Tierra. Lockyer y el químico inglés Edward Frankland nombró el elemento con la palabra griega para el Sol, ἥλιος (helios).

En 1881, el físico italiano Luigi Palmieri detectó por primera vez helio en la Tierra a través de su línea espectral D3, cuando analizó un material que había sido sublimado durante una reciente erupción del Monte Vesubio.

El 26 de marzo de 1895, el químico escocés, Sir William Ramsay, aisló helio en la Tierra tratando el mineral cleveita (una variedad de uraninita con al menos un 10% de elementos de tierras raras) con ácidos minerales. Ramsay buscaba argón pero, después de separar el nitrógeno y el oxígeno del gas, liberado por el ácido sulfúrico, notó una línea amarilla brillante que coincidía con la línea D3 observada en el espectro del Sol. Estas muestras fueron identificadas como helio, por Lockyer, y el físico británico William Crookes. Fue aislado independientemente de la cleveita, en el mismo año, por los químicos Per Teodor Cleve y Abraham Langlet, en Uppsala, Suecia, quienes recogieron suficiente gas para determinar con precisión su peso atómico. El helio también fue aislado por el geoquímico americano, William Francis Hillebrand, antes del descubrimiento de Ramsay, cuando notó líneas espectrales inusuales mientras probaba una muestra del mineral uraninita. Hillebrand, sin embargo, atribuyó las líneas al nitrógeno. Su carta de felicitación a Ramsay ofrece un interesante caso de descubrimiento, y casi descubrimiento, en la ciencia.

En 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron que las partículas alfa son núcleos de helio, permitiendo que las partículas penetren en la delgada pared de vidrio de un tubo evacuado, creando entonces una descarga en el tubo, para estudiar el espectro del nuevo gas en su interior. En 1908, el helio fue licuado por primera vez por la física holandesa Heike Kamerlingh Onnes enfriando el gas a menos de cinco Kelvin. Trató de solidificarlo, reduciendo aún más la temperatura, pero fracasó, porque el helio no se solidifica a la presión atmosférica. El estudiante de Onnes, Willem Hendrik Keesom, pudo finalmente solidificar 1 cm3 de helio en 1926 aplicando una presión externa adicional.

En 1913, Niels Bohr publicó su “trilogía” sobre la estructura atómica que incluía una reconsideración de la serie Pickering-Fowler como prueba central en apoyo de su modelo del átomo. Esta serie lleva el nombre de Edward Charles Pickering, quien en 1896 publicó observaciones de líneas previamente desconocidas en el espectro de la estrella ζ Puppis (ahora se sabe que ocurren con Wolf-Rayet y otras estrellas calientes). Pickering atribuyó la observación (líneas en 4551, 5411 y 10123 Å) a una nueva forma de hidrógeno con niveles de transición de medio entero. En 1912, Alfred Fowler logró producir líneas similares a partir de una mezcla de hidrógeno-helio, y apoyó la conclusión de Pickering sobre su origen. El modelo de Bohr no permite transiciones de medios enteros (ni tampoco la mecánica cuántica) y Bohr concluyó que Pickering y Fowler estaban equivocados, y en su lugar asignó estas líneas espectrales al helio ionizado, He+. Fowler fue inicialmente escéptico pero finalmente se convenció de que Bohr estaba en lo cierto, y para 1915 “los espectroscopistas se habían transferido definitivamente al helio”. El trabajo teórico de Bohr sobre las series de Pickering había demostrado la necesidad de “un reexamen de los problemas que parecían ya resueltos dentro de las teorías clásicas” y proporcionó una importante confirmación para su teoría atómica.

En 1938, el físico ruso Pyotr Leonidovich Kapitsa descubrió que el helio-4 casi no tiene viscosidad a temperaturas cercanas al cero absoluto, un fenómeno que ahora se denomina superfluidez. Este fenómeno está relacionado con la condensación de Bose-Einstein. En 1972, los físicos estadounidenses Douglas D. Osheroff, David M. Lee y Robert C. Richardson observaron el mismo fenómeno en el helio-3, pero a temperaturas mucho más cercanas al cero absoluto. Se cree que el fenómeno en el helio-3 está relacionado con el emparejamiento de fermiones de helio-3 para formar bosones, en analogía con los pares de electrones de Cooper que producen superconductividad.

Extracción y uso

Después de una operación de perforación petrolera en 1903 en Dexter, Kansas produjo un géiser de gas que no se quemaba, el geólogo del estado de Kansas Erasmus Haworth recogió muestras del gas que se escapaba y las llevó a la Universidad de Kansas en Lawrence donde, con la ayuda de los químicos Hamilton Cady y David McFarland, descubrió que el gas consistía, en volumen, en un 72% de nitrógeno, 15% de metano (un porcentaje combustible sólo con suficiente oxígeno), 1% de hidrógeno y 12% de un gas no identificable. Con análisis posteriores, Cady y McFarland descubrieron que el 1,84% de la muestra de gas era helio. Esto demostró que a pesar de su rareza general en la Tierra, el helio se concentraba en grandes cantidades bajo las Grandes Llanuras de América, disponible para su extracción como subproducto del gas natural.

Esto permitió a los Estados Unidos convertirse en el principal proveedor de helio del mundo. Siguiendo una sugerencia de Sir Richard Threlfall, la Marina de los Estados Unidos patrocinó tres pequeñas plantas experimentales de helio durante la Primera Guerra Mundial. Un total de 5.700 m3 (200.000 pies cúbicos) de 92% de helio se produjo en el programa, aunque antes se había obtenido menos de un metro cúbico de gas. Parte de este gas se utilizó en el primer dirigible del mundo lleno de helio, el dirigible C-7 de la Armada de los Estados Unidos, que realizó su viaje inaugural desde Hampton Roads, Virginia, a Bolling Field en Washington, D.C., el 1 de diciembre de 1921, casi dos años antes de que volara el primer dirigible rígido lleno de helio de la Armada, el USS Shenandoah, construido por la Fábrica de Aviones Navales, en septiembre de 1923.

Aunque el proceso de extracción mediante licuefacción de gas a baja temperatura no se desarrolló a tiempo para ser significativo durante la Primera Guerra Mundial, la producción continuó. El helio se utilizó principalmente como gas de elevación en naves más ligeras que el aire. Durante la Segunda Guerra Mundial, aumentó la demanda de helio para gas de elevación y para la soldadura de arco protegido. El espectrómetro de masas de helio también fue vital en el Proyecto Manhattan de la bomba atómica.

El gobierno de los Estados Unidos estableció la Reserva Nacional de Helio en 1925 en Amarillo, Texas, con el objetivo de suministrar aeronaves militares en tiempo de guerra y aeronaves comerciales en tiempo de paz. Debido a la Ley de Helio de 1925, que prohibía la exportación del escaso helio sobre el cual los Estados Unidos tenían entonces un monopolio de producción, junto con el costo prohibitivo del gas, el Hindenburg, como todos los zepelines alemanes, se vio obligado a utilizar hidrógeno como gas de elevación. El mercado del helio después de la Segunda Guerra Mundial estaba deprimido, pero la reserva se amplió en la década de 1950 para asegurar un suministro de helio líquido como refrigerante para crear combustible de oxígeno/hidrógeno para cohetes (entre otros usos) durante la Carrera Espacial y la Guerra Fría. El uso de helio en los Estados Unidos en 1965 fue más de ocho veces el consumo máximo en tiempos de guerra.

Después de las “Enmiendas a las leyes sobre el helio de 1960” (Ley Pública 86-777), la Oficina de Minas de los Estados Unidos dispuso la creación de cinco plantas privadas para recuperar el helio del gas natural. Para este programa de conservación de helio, la Oficina construyó un gasoducto de 684 km desde Bushton, Kansas, para conectar esas plantas con el yacimiento de gas parcialmente agotado de Cliffside, cerca de Amarillo, Texas. Esta mezcla de helio-nitrógeno fue inyectada y almacenada en el campo de gas de Cliffside hasta que se necesitó, momento en el que se purificó aún más.

Para 1995, se habían recogido mil millones de metros cúbicos de gas y la reserva tenía una deuda de 1.400 millones de dólares, lo que llevó al Congreso de los Estados Unidos en 1996 a eliminar progresivamente la reserva. La resultante Ley de Privatización del Helio de 1996 (Ley Pública 104-273) ordenó al Departamento del Interior de los Estados Unidos que vaciara la reserva, y las ventas comenzaron en 2005.

El helio producido entre 1930 y 1945 tenía una pureza de alrededor del 98,3% (2% de nitrógeno), que era adecuado para aeronaves. En 1945, se produjo una pequeña cantidad de 99,9% de helio para uso en soldadura. Para 1949, había disponibles cantidades comerciales de helio de grado A al 99,95%.

Durante muchos años, los Estados Unidos produjeron más del 90% del helio comercialmente utilizable en el mundo, mientras que las plantas de extracción de Canadá, Polonia, Rusia y otras naciones produjeron el resto. A mediados de la década de 1990, comenzó a funcionar una nueva planta en Arzew, Argelia, que producía 17 millones de metros cúbicos, con una producción suficiente para cubrir toda la demanda de Europa. Mientras tanto, para el año 2000, el consumo de helio dentro de los EE.UU. había aumentado a más de 15 millones de kg por año. En 2004-2006, se construyeron plantas adicionales en Ras Laffan, Qatar, y Skikda, Argelia. Argelia se convirtió rápidamente en el segundo productor de helio. Durante este tiempo, tanto el consumo de helio como los costos de producción de helio aumentaron. De 2002 a 2007 los precios del helio se duplicaron.

A partir de 2012, la Reserva Nacional de Helio de los Estados Unidos representaba el 30 por ciento del helio mundial. Se esperaba que la reserva se quedara sin helio en 2018. A pesar de ello, un proyecto de ley propuesto en el Senado de los Estados Unidos permitiría que la reserva siguiera vendiendo el gas. Otras grandes reservas se encontraban en el Hugoton en Kansas, Estados Unidos, y en los campos de gas cercanos de Kansas y en los pantanos de Texas y Oklahoma. Estaba previsto que en 2012 se abrieran nuevas plantas de helio en Qatar, Rusia y el estado estadounidense de Wyoming, pero no se esperaba que aliviara la escasez.

En 2013, Qatar puso en marcha la unidad de helio más grande del mundo, aunque la crisis diplomática de Qatar de 2017 afectó gravemente la producción de helio allí. Se reconoció ampliamente que 2014 fue un año de exceso de oferta en el negocio del helio, tras años de reconocida escasez. Nasdaq informó (2015) que para Air Products, una corporación internacional que vende gases para uso industrial, los volúmenes de helio siguen bajo presión económica debido a las limitaciones de suministro de materia prima.

Ocurrencia natural

Aunque es raro en la Tierra, el helio es el segundo elemento más abundante en el Universo conocido, constituyendo el 23% de su masa bariónica. Sólo el hidrógeno es más abundante. La gran mayoría del helio se formó por nucleosíntesis del Big Bang uno a tres minutos después del Big Bang. Como tal, las mediciones de su abundancia contribuyen a los modelos cosmológicos. En las estrellas, se forma por la fusión nuclear del hidrógeno en las reacciones en cadena protón-protón y el ciclo CNO, parte de la nucleosíntesis estelar.

En la atmósfera de la Tierra, la concentración de helio en volumen es sólo de 5,2 partes por millón. La concentración es baja y bastante constante a pesar de la producción continua de nuevo helio porque la mayor parte del helio en la atmósfera de la Tierra se escapa al espacio por varios procesos. En la heterosfera de la Tierra, una parte de la atmósfera superior, el helio y otros gases más ligeros son los elementos más abundantes.

La mayor parte del helio en la Tierra es el resultado de la desintegración radiactiva. El helio se encuentra en grandes cantidades en los minerales de uranio y torio, incluyendo la uraninita y sus variedades cleveita y pechblenda, carnotita y monacita (un nombre de grupo; “monacita” suele referirse a monacita-(Ce)), porque emiten partículas alfa (núcleos de helio, He2+) a las que se combinan inmediatamente los electrones tan pronto como la partícula es detenida por la roca. De esta manera se estima que se generan unas 3000 toneladas métricas de helio por año en toda la litosfera. En la corteza terrestre, la concentración de helio es de 8 partes por billón. En el agua de mar, la concentración es sólo de 4 partes por billón. También hay pequeñas cantidades en los manantiales minerales, gas volcánico y hierro meteórico. Debido a que el helio está atrapado en el subsuelo en condiciones que también atrapan el gas natural, las mayores concentraciones naturales de helio en el planeta se encuentran en el gas natural, del que se extrae la mayor parte del helio comercial. La concentración varía en un amplio rango desde unas pocas ppm hasta más del 7% en un pequeño yacimiento de gas en el condado de San Juan, Nuevo México.

Producción

En 2011 las reservas mundiales de helio se estimaban en 40.000 millones de metros cúbicos, de los cuales una cuarta parte se encontraba en el campo de gas condensado South Pars/North Dome, propiedad conjunta de Qatar e Irán. En 2015 y 2016 se anunciaron reservas probables adicionales bajo las Montañas Rocosas en Norteamérica y en la Falla del Este de África.

En 2011 las reservas mundiales de helio se estimaron en 40.000 millones de metros cúbicos, de los cuales una cuarta parte corresponde al campo de gas condensado South Pars/North Dome, propiedad conjunta de Qatar e Irán. En 2015 y 2016 se anunciaron reservas probables adicionales bajo las Montañas Rocosas en América del Norte y en la Falla del Este de África.

Para su uso a gran escala, el helio se extrae por destilación fraccionada de gas natural, que puede contener hasta un 7% de helio. Como el helio tiene un punto de ebullición más bajo que cualquier otro elemento, se utiliza a baja temperatura y alta presión para licuar casi todos los demás gases (principalmente nitrógeno y metano). El gas helio crudo resultante se purifica mediante sucesivas exposiciones a temperaturas más bajas, en las que casi todo el nitrógeno y otros gases restantes se precipitan fuera de la mezcla gaseosa. Como paso final de la purificación se utiliza carbón activado, que suele dar como resultado un helio de grado A con una pureza del 99,995%. La principal impureza del helio de Grado A es el neón. En un paso final de producción, la mayor parte del helio que se produce se licua a través de un proceso criogénico. Esto es necesario para aplicaciones que requieren helio líquido y también permite a los proveedores de helio reducir el costo del transporte a larga distancia, ya que los mayores contenedores de helio líquido tienen más de cinco veces la capacidad de los mayores remolques de tubos de helio gaseoso.

En 2008, se extrajeron aproximadamente 169 millones de metros cúbicos estándar (MCS) de helio del gas natural o se retiraron de las reservas de helio, con aproximadamente un 78% de los Estados Unidos, un 10% de Argelia y la mayor parte del resto de Rusia, Polonia y Qatar. Para 2013, el aumento de la producción de helio en Qatar (bajo la empresa RasGas gestionada por Air Liquide) había aumentado la fracción de la producción mundial de helio de Qatar al 25%, y lo convirtió en el segundo mayor exportador después de los Estados Unidos. Se estima que en 2016 se encontró un depósito de 54.000 millones de pies cúbicos (1,5×109 m3) de helio en Tanzania.

En los Estados Unidos, la mayor parte del helio se extrae del gas natural de los yacimientos de Hugoton y de los yacimientos cercanos de Kansas, Oklahoma, y del yacimiento de Panhandle en Texas. Gran parte de este gas se enviaba antes por gasoducto a la Reserva Nacional de Helio, pero desde 2005 esta reserva se está agotando y vendiendo, y se espera que se agote en gran medida para 2021, en virtud de la Ley de administración y gestión responsable del helio de octubre de 2013 (H.R. 527).

La difusión de gas natural crudo a través de membranas especiales semipermeables y otras barreras es otro método para recuperar y purificar el helio. En 1996, los Estados Unidos tenían reservas probadas de helio, en tales complejos de pozos de gas, de alrededor de 147 mil millones de pies cúbicos estándar (4,2 mil millones de SCM). A las tasas de uso en ese momento (72 millones de SCM por año en los EE.UU.; véase el gráfico circular a continuación) esto habría sido suficiente helio para unos 58 años de uso en los EE.UU., y menos que esto (tal vez el 80% del tiempo) a las tasas de uso mundial, aunque los factores en el ahorro y el procesamiento afectan a las cifras de reserva efectiva.

El helio debe extraerse del gas natural porque está presente en el aire sólo a una fracción de la del neón, pero la demanda de este producto es mucho mayor. Se estima que si toda la producción de neón se reajustara para ahorrar helio, se satisfaría el 0,1% de la demanda mundial de helio. Del mismo modo, sólo el 1% de la demanda mundial de helio podría satisfacerse reequipando todas las plantas de destilación de aire. El helio puede ser sintetizado por bombardeo de litio o boro con protones de alta velocidad, o por bombardeo de litio con deuterones, pero estos procesos son un método de producción completamente antieconómico.

El helio está disponible comercialmente en forma líquida o gaseosa. Como líquido, puede suministrarse en pequeños contenedores aislados llamados dewars que contienen hasta 1.000 litros de helio, o en grandes contenedores ISO que tienen capacidades nominales de hasta 42 m3 (unos 11.000 galones de EE.UU.). En forma gaseosa, pequeñas cantidades de helio se suministran en cilindros de alta presión con capacidad de hasta 8 m3 (aproximadamente 282 pies cúbicos estándar), mientras que grandes cantidades de gas de alta presión se suministran en remolques de tubos con capacidades de hasta 4.860 m3 (aproximadamente 172.000 pies cúbicos estándar).

Según los conservacionistas de helio, como el físico ganador del Premio Nobel Robert Coleman Richardson, escribiendo en 2010, el precio del helio en el mercado libre ha contribuido a un uso “despilfarrador” (por ejemplo, para los globos de helio). Los precios en la década de 2000 habían bajado por la decisión del Congreso de los Estados Unidos de vender las grandes reservas de helio del país para 2015. Según Richardson, el precio debía multiplicarse por 20 para eliminar el excesivo desperdicio de helio. En su libro “El futuro del helio como recurso natural” (Routledge, 2012), Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) también propusieron crear una Agencia Internacional del Helio (IHA) para construir un mercado sostenible para este precioso producto.

Uso económico

Aunque los globos son quizás el uso más conocido del helio, son una parte menor de todo el uso del helio. El helio se utiliza para muchos fines que requieren algunas de sus propiedades únicas, como su bajo punto de ebullición, su baja densidad, su baja solubilidad, su alta conductividad térmica o su inercia. De la producción mundial de helio en 2014, de unos 32 millones de kg (180 millones de metros cúbicos estándar) de helio al año, el mayor uso (alrededor del 32% del total en 2014) es en aplicaciones criogénicas, la mayoría de las cuales implica el enfriamiento de los imanes superconductores de los escáneres médicos de resonancia magnética y los espectrómetros de RMN. Otros usos importantes fueron los sistemas de presurización y purga, la soldadura, el mantenimiento de atmósferas controladas y la detección de fugas. Otros usos por categoría fueron fracciones relativamente menores.

Atmósferas controladas

El helio se utiliza como gas protector en el cultivo de cristales de silicio y germanio, en la producción de titanio y circonio, y en la cromatografía de gases, porque es inerte. Debido a su inercia, a su naturaleza térmica y calórica perfecta, a la alta velocidad del sonido y al alto valor de la relación de capacidad térmica, también es útil en los túneles de viento supersónicos y en las instalaciones de impulso.

Soldadura por arco de tungsteno con gas

El helio se utiliza como gas de protección en los procesos de soldadura por arco en materiales que a temperaturas de soldadura están contaminados y debilitados por el aire o el nitrógeno. En la soldadura por arco de tungsteno se utilizan varios gases de protección inertes, pero el helio se utiliza en lugar del argón, que es más barato, sobre todo para soldar materiales que tienen una mayor conductividad térmica, como el aluminio o el cobre.

Otros usos

Detección de fugas industriales

Una aplicación industrial del helio es la detección de fugas. Dado que el helio se difunde a través de los sólidos tres veces más rápido que el aire, se utiliza como gas trazador para detectar fugas en equipos de alto vacío (como los tanques criogénicos) y en contenedores de alta presión. El objeto probado se coloca en una cámara, que luego se evacua y se llena de helio. El helio que se escapa por las fugas es detectado por un dispositivo sensible (espectrómetro de masas de helio), incluso a tasas de fuga tan pequeñas como 10-9 mbar-L/s (10-10 Pa-m3/s). El procedimiento de medición es normalmente automático y se llama prueba integral de helio. Un procedimiento más simple es llenar el objeto probado con helio y buscar manualmente las fugas con un dispositivo manual.

Las fugas de helio a través de grietas no deben confundirse con la permeabilidad de gas a través de un material a granel. Mientras que el helio ha documentado constantes de permeación (por lo tanto una tasa de permeación calculable) a través de vidrios, cerámicas y materiales sintéticos, los gases inertes como el helio no permearán la mayoría de los metales a granel.

Vuelo

Debido a que es más ligero que el aire, las aeronaves y los globos se inflan con helio para su elevación. Mientras que el gas de hidrógeno es más boyante, y escapa permeando a través de una membrana a una velocidad menor, el helio tiene la ventaja de no ser inflamable, y de hecho es ignífugo. Otro uso menor es en la cohetería, donde el helio se utiliza como medio de ululación para desplazar el combustible y los oxidantes en los tanques de almacenamiento y para condensar el hidrógeno y el oxígeno para hacer combustible para cohetes. También se utiliza para purgar el combustible y los oxidantes del equipo de apoyo en tierra antes del lanzamiento y para preenfriar el hidrógeno líquido en los vehículos espaciales. Por ejemplo, el cohete Saturno V utilizado en el programa Apolo necesitó unos 370.000 m3 (13 millones de pies cúbicos) de helio para su lanzamiento.

Usos comerciales y recreativos menores

El helio como gas de respiración no tiene propiedades narcóticas, por lo que las mezclas de helio como trimix, heliox y heliair se utilizan para el buceo profundo para reducir los efectos de la narcosis, que empeoran con el aumento de la profundidad. A medida que la presión aumenta con la profundidad, la densidad del gas de respiración también aumenta, y se ha descubierto que el bajo peso molecular del helio reduce considerablemente el esfuerzo de respiración al disminuir la densidad de la mezcla. Esto reduce el número de flujo de Reynolds, lo que lleva a una reducción del flujo turbulento y a un aumento del flujo laminar, que requiere menos trabajo de respiración. A profundidades inferiores a 150 metros (490 pies) los buzos que respiran mezclas de helio y oxígeno comienzan a experimentar temblores y una disminución de la función psicomotora, síntomas del síndrome nervioso de alta presión. Este efecto puede contrarrestarse en cierta medida añadiendo una cantidad de gas narcótico, como hidrógeno o nitrógeno, a una mezcla de helio-oxígeno.

Los láseres de helio-neón, un tipo de láser de gas de baja potencia que produce un rayo rojo, tenían varias aplicaciones prácticas que incluían lectores de códigos de barras y punteros láser, antes de que fueran sustituidos casi universalmente por láseres de diodo más baratos.

Por su inercia y alta conductividad térmica, transparencia de neutrones, y porque no forma isótopos radioactivos en condiciones de reactor, el helio se utiliza como medio de transferencia de calor en algunos reactores nucleares refrigerados por gas.

El helio, mezclado con un gas más pesado como el xenón, es útil para la refrigeración termoacústica debido a la alta capacidad de calor resultante y al bajo número de Prandtl. La inercia del helio tiene ventajas medioambientales sobre los sistemas de refrigeración convencionales que contribuyen al agotamiento de la capa de ozono o al calentamiento global.

El helio también se utiliza en algunos discos duros.

Usos científicos

El uso del helio reduce los efectos distorsionantes de las variaciones de temperatura en el espacio entre las lentes de algunos telescopios, debido a su extremadamente bajo índice de refracción. Este método se utiliza especialmente en los telescopios solares donde un tubo telescópico hermético al vacío sería demasiado pesado.

El helio es un gas portador comúnmente utilizado para la cromatografía de gases.

La edad de las rocas y minerales que contienen uranio y torio puede estimarse midiendo el nivel de helio con un proceso conocido como datación de helio.

El helio a bajas temperaturas se utiliza en la criogenia y en ciertas aplicaciones criogénicas. Como ejemplos de aplicaciones, el helio líquido se utiliza para enfriar ciertos metales a las temperaturas extremadamente bajas que se requieren para la superconductividad, como en los imanes superconductores para la obtención de imágenes por resonancia magnética. El Gran Colisionador de Hadrones del CERN utiliza 96 toneladas métricas de helio líquido para mantener la temperatura a 1,9 kelvin.

Biología

El helio neutro en condiciones normales no es tóxico, no juega ningún papel biológico y se encuentra en cantidades mínimas en la sangre humana.

La velocidad del sonido en el helio es casi tres veces la velocidad del sonido en el aire. Debido a que la frecuencia fundamental de una cavidad llena de gas es proporcional a la velocidad del sonido en el gas, cuando se inhala helio hay un aumento correspondiente en las frecuencias resonantes del tracto vocal. La frecuencia fundamental (a veces llamada tono) no cambia, ya que ésta se produce por la vibración directa de las cuerdas vocales, que no se modifica. Sin embargo, las frecuencias resonantes más altas provocan un cambio en el timbre, lo que da lugar a una calidad vocal de tipo “pato”. El efecto opuesto, la disminución de las frecuencias resonantes, puede obtenerse mediante la inhalación de un gas denso como el hexafluoruro de azufre o el xenón.

Seguridad

Inhalar helio puede ser peligroso si se hace en exceso, ya que el helio es un simple asfixiante y por lo tanto desplaza el oxígeno necesario para la respiración normal. Se han registrado muertes, entre ellas la de un joven que se asfixió en Vancouver en 2003 y la de dos adultos que se asfixiaron en el sur de Florida en 2006. En 1998, una niña australiana de Victoria cayó inconsciente y se puso temporalmente azul tras inhalar todo el contenido de un globo de fiesta. La inhalación de helio directamente de cilindros presurizados o incluso de las válvulas de llenado del globo es sumamente peligrosa, ya que la alta tasa de flujo y la presión pueden provocar un barotrauma, con la consiguiente ruptura fatal del tejido pulmonar.

La muerte causada por el helio es rara. El primer caso registrado por los medios de comunicación fue el de una niña de 15 años de edad de Texas que murió en 1998 por inhalación de helio en la fiesta de un amigo; no se ha identificado el tipo exacto de muerte por helio.

En los Estados Unidos sólo se informó de dos muertes entre 2000 y 2004, entre ellas la de un hombre que murió en Carolina del Norte de barotraumatismo en 2002. Un joven se asfixió en Vancouver en 2003, y un hombre de 27 años de edad en Australia sufrió una embolia tras respirar por un cilindro en 2000. Desde entonces, dos adultos se asfixiaron en el sur de la Florida en 2006, y hubo casos en 2009 y 2010, uno de un joven californiano que fue encontrado con una bolsa en la cabeza, adherida a un tanque de helio, y otro adolescente en Irlanda del Norte murió de asfixia. En Eagle Point, Oregón, una adolescente murió en 2012 de barotrauma en una fiesta. Una chica de Michigan murió de hipoxia a finales de año.

El 4 de febrero de 2015 se reveló que, durante la grabación de su principal programa de televisión el 28 de enero, un miembro de 12 años (nombre no revelado) del grupo de canto femenino japonés 3B Junior sufrió una embolia de aire, perdiendo el conocimiento y cayendo en coma como resultado de las burbujas de aire que bloqueaban el flujo de sangre al cerebro, después de inhalar enormes cantidades de helio como parte de un juego. El incidente no se hizo público hasta una semana después. El personal de TV Asahi dio una conferencia de prensa de emergencia para comunicar que el miembro había sido llevado al hospital y que está mostrando signos de rehabilitación, como ojos y extremidades en movimiento, pero su conciencia aún no se ha recuperado lo suficiente. La policía ha iniciado una investigación debido al descuido de las medidas de seguridad.

El 13 de julio de 2017 CBS News informó que un operativo político que supuestamente intentó recuperar los correos electrónicos perdidos del servidor de Clinton, Peter W. Smith, “aparentemente” se suicidó en mayo en una habitación de hotel en Rochester, Minnesota y que su muerte fue registrada como “asfixia debido al desplazamiento de oxígeno en el espacio confinado con helio”. Más detalles al respecto en el Chicago Tribune.

Los problemas de seguridad del helio criogénico son similares a los del nitrógeno líquido; sus temperaturas extremadamente bajas pueden provocar quemaduras por frío, y la relación de expansión del líquido con respecto al gas puede causar explosiones si no se instalan dispositivos de alivio de la presión. Los contenedores de helio gaseoso a 5 a 10 K deben manejarse como si contuvieran helio líquido debido a la rápida y significativa expansión térmica que se produce cuando el helio gaseoso a menos de 10 K se calienta a temperatura ambiente.

A altas presiones (más de unos 20 atm o dos MPa), una mezcla de helio y oxígeno (heliox) puede provocar un síndrome nervioso de alta presión, una especie de efecto anestésico inverso; la adición de una pequeña cantidad de nitrógeno a la mezcla puede aliviar el problema.