Elio

L’elio (dal greco: ἥλιος, romanizzato: Helios, illuminato ‘Sole’) è un elemento chimico con il simbolo He e il numero atomico 2. È un gas incolore, inodore, insapore, non tossico, inerte, monatomico, il primo del gruppo dei gas nobili nella tavola periodica. Il suo punto di ebollizione è il più basso tra tutti gli elementi. L’elio è il secondo elemento più leggero e il secondo più abbondante nell’universo osservabile (l’idrogeno è il più leggero e abbondante). È presente a circa il 24% della massa totale degli elementi, che è più di 12 volte la massa di tutti gli elementi più pesanti messi insieme. La sua abbondanza è simile a questa sia nel Sole che in Giove. Ciò è dovuto all’altissima energia nucleare di legame (per nucleone) dell’elio-4, rispetto ai tre elementi successivi all’elio. Questa energia di legame dell’elio-4 spiega anche perché è un prodotto sia della fusione nucleare che del decadimento radioattivo. La maggior parte dell’elio nell’universo è elio-4, la maggior parte del quale si è formata durante il Big Bang. Grandi quantità di nuovo elio sono state create dalla fusione nucleare dell’idrogeno nelle stelle.

L’elio prende il nome dal greco Titano del Sole, Helios. È stato rilevato per la prima volta come una firma sconosciuta, una linea spettrale gialla nella luce del sole, durante un’eclissi solare nel 1868 da Georges Rayet, il capitano C. T. Haig, Norman R. Pogson e il tenente John Herschel, ed è stato successivamente confermato dall’astronomo francese Jules Janssen. A Janssen viene spesso attribuito il merito di aver individuato l’elemento, insieme a Norman Lockyer. Janssen registrò la linea spettrale dell’elio durante l’eclissi solare del 1868, mentre Lockyer la osservò dalla Gran Bretagna. Lockyer fu il primo a proporre che la linea fosse dovuta ad un nuovo elemento, che egli chiamò. La scoperta formale dell’elemento fu fatta nel 1895 da due chimici svedesi, Per Teodor Cleve e Nils Abraham Langlet, che trovarono l’elio proveniente dal minerale di uranio, la cleveite, che ora non è considerata una specie minerale separata, ma una varietà di uraninite. Nel 1903, grandi riserve di elio sono state trovate nei giacimenti di gas naturale in alcune parti degli Stati Uniti, che oggi è di gran lunga il più grande fornitore di gas.

L’elio liquido è usato nella criogenia (il suo più grande uso singolo, che assorbe circa un quarto della produzione), in particolare nel raffreddamento dei magneti superconduttori, con la principale applicazione commerciale negli scanner per la risonanza magnetica. Gli altri usi industriali dell’elio - come gas di pressurizzazione e di spurgo, come atmosfera protettiva per la saldatura ad arco e in processi come la coltivazione di cristalli per rendere i wafer di silicio - rappresentano la metà del gas prodotto. Un uso noto ma minore è quello di gas di sollevamento in palloni aerostatici e dirigibili. Come per qualsiasi gas la cui densità differisce da quella dell’aria, l’inalazione di un piccolo volume di elio modifica temporaneamente il timbro e la qualità della voce umana. Nella ricerca scientifica, il comportamento delle due fasi fluide dell’elio-4 (elio I ed elio II) è importante per i ricercatori che studiano la meccanica quantistica (in particolare la proprietà della superfluidità) e per chi guarda ai fenomeni, come la superconduttività, prodotti nella materia vicino allo zero assoluto.

Sulla Terra è relativamente rara-5,2 ppm di volume nell’atmosfera. La maggior parte dell’elio terrestre presente oggi è creato dal decadimento radioattivo naturale degli elementi radioattivi pesanti (torio e uranio, anche se ci sono altri esempi), in quanto le particelle alfa emesse da tali decadimenti sono costituite da nuclei di elio-4 nuclei. Questo elio radiogeno è intrappolato con gas naturale in concentrazioni fino al 7% in volume, da cui viene estratto commercialmente attraverso un processo di separazione a bassa temperatura chiamato distillazione frazionata. In precedenza, l’elio terrestre, una risorsa non rinnovabile, perché, una volta rilasciato nell’atmosfera, sfugge facilmente nello spazio, si pensava che fosse sempre più scarso. Tuttavia, studi recenti suggeriscono che l’elio prodotto in profondità nella terra dal decadimento radioattivo può raccogliersi nelle riserve di gas naturale in quantità maggiori del previsto, in alcuni casi, essendo stato rilasciato dall’attività vulcanica.

Storia

La prima prova di elio fu osservata il 18 agosto 1868, come una linea gialla brillante con una lunghezza d’onda di 587,49 nanometri nello spettro della cromosfera del Sole. La linea fu rilevata dall’astronomo francese Jules Janssen durante un’eclissi solare totale a Guntur, in India. Questa linea è stata inizialmente ipotizzata essere di sodio. Il 20 ottobre dello stesso anno, l’astronomo inglese Norman Lockyer osservò una linea gialla nello spettro solare, che chiamò D3 perché era vicina alle note linee di sodio D1 e D2 Fraunhofer. Egli concluse che era causata da un elemento del Sole sconosciuto sulla Terra. Lockyer e il chimico inglese Edward Frankland ha chiamato l’elemento con la parola greca per il Sole, ἥλιος (helios).

Nel 1881, il fisico italiano Luigi Palmieri rilevò per la prima volta l’elio sulla Terra attraverso la sua linea spettrale D3, quando analizzò un materiale che era stato sublimato durante una recente eruzione del Vesuvio.

Il 26 marzo 1895, il chimico scozzese, Sir William Ramsay, isolò l’elio sulla Terra trattando la cleveite minerale (una varietà di uraninite con almeno il 10% di elementi terrestri rari) con acidi minerali. Ramsay cercava l’argon ma, dopo aver separato l’azoto e l’ossigeno dal gas, liberato dall’acido solforico, notò una linea gialla brillante che corrispondeva alla linea D3 osservata nello spettro del Sole. Questi campioni sono stati identificati come elio, da Lockyer, e il fisico britannico William Crookes. Fu isolato indipendentemente dalla cleveite, nello stesso anno, dai chimici Per Teodor Cleve e Abraham Langlet, a Uppsala, in Svezia, che raccoglievano abbastanza gas da determinarne accuratamente il peso atomico. L’elio è stato isolato anche dal geochimico americano William Francis Hillebrand, prima della scoperta di Ramsay, quando ha notato insolite linee spettrali durante il test di un campione di uraninite minerale. Hillebrand, tuttavia, attribuì le linee all’azoto. La sua lettera di congratulazioni a Ramsay offre un interessante caso di scoperta, e quasi-scoperta, nella scienza.

Nel 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds dimostrarono che le particelle alfa sono nuclei di elio, permettendo alle particelle di penetrare la sottile parete di vetro di un tubo evacuato, creando poi una scarica nel tubo, per studiare lo spettro del nuovo gas all’interno. Nel 1908, l’elio fu liquefatto per la prima volta dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes raffreddando il gas a meno di cinque Kelvin. Egli cercò di solidificarlo, riducendo ulteriormente la temperatura, ma fallì, perché l’elio non si solidifica a pressione atmosferica. L’allievo di Onnes, Willem Hendrik Keesom, alla fine riuscì a solidificare 1 cm3 di elio nel 1926 applicando una pressione esterna supplementare.

Nel 1913, Niels Bohr pubblicò la sua “trilogia” sulla struttura atomica che includeva una riconsiderazione della serie Pickering-Fowler come prova centrale a sostegno del suo modello dell’atomo. Questa serie prende il nome da Edward Charles Pickering, che nel 1896 pubblicò osservazioni di linee precedentemente sconosciute nello spettro della stella ζ Puppis (queste sono ora note per essere avvenute con Wolf-Rayet e altre stelle calde). Pickering attribuì l’osservazione (linee a 4551, 5411 e 10123 Å) ad una nuova forma di idrogeno con livelli di transizione di mezzo intero. Nel 1912, Alfred Fowler riuscì a produrre linee simili da una miscela di idrogeno ed elio e sostenne la conclusione di Pickering sulla loro origine. Il modello di Bohr non permette transizioni a metà intero (né la meccanica quantistica) e Bohr concluse che Pickering e Fowler si sbagliavano, e assegnò invece queste linee spettrali all’elio ionizzato, He+. Fowler era inizialmente scettico, ma alla fine era convinto che Bohr fosse corretto, e nel 1915 “gli spettroscopisti si erano trasferiti definitivamente all’elio”. Il lavoro teorico di Bohr sulla serie di Pickering aveva dimostrato la necessità di “un riesame dei problemi che sembravano già risolti nell’ambito delle teorie classiche” e fornì un’importante conferma alla sua teoria atomica.

Nel 1938 il fisico russo Pyotr Leonidovich Kapitsa scoprì che l’elio-4 ha una viscosità quasi nulla a temperature prossime allo zero assoluto, un fenomeno oggi chiamato superfluidità. Questo fenomeno è legato alla condensazione di Bose-Einstein. Nel 1972, lo stesso fenomeno è stato osservato nell’elio-3, ma a temperature molto più vicine allo zero assoluto, dai fisici americani Douglas D. Osheroff, David M. Lee e Robert C. Richardson. Si pensa che il fenomeno nell’elio-3 sia legato all’accoppiamento di fermioni di elio-3 per formare bosoni, in analogia alle coppie di Cooper di elettroni che producono superconduttività.

Estrazione e uso

Dopo un’operazione di trivellazione petrolifera nel 1903 a Dexter, il Kansas produsse un geyser di gas che non avrebbe bruciato, il geologo di stato del Kansas Erasmus Haworth raccolse campioni del gas in fuga e li riportò all’Università del Kansas a Lawrence dove, con l’aiuto dei chimici Hamilton Cady e David McFarland, scoprì che il gas consisteva, in volume, di 72% di azoto, 15% di metano (una percentuale di combustibile solo con sufficiente ossigeno), 1% di idrogeno e 12% di un gas non identificabile. Con ulteriori analisi, Cady e McFarland hanno scoperto che l’1,84% del campione di gas era elio. Ciò ha mostrato che, nonostante la sua rarità complessiva sulla Terra, l’elio era concentrato in grandi quantità sotto le Grandi Pianure americane, disponibile per l’estrazione come sottoprodotto del gas naturale.

Ciò ha permesso agli Stati Uniti di diventare il primo fornitore mondiale di elio. Su suggerimento di Sir Richard Threlfall, la Marina degli Stati Uniti ha sponsorizzato tre piccoli impianti sperimentali di elio durante la prima guerra mondiale. L’obiettivo era quello di fornire palloni di sbarramento con il gas non infiammabile e più leggero dell’aria. Nel programma fu prodotto un totale di 5.700 m3 (200.000 cu ft) di elio al 92%, anche se in precedenza era stato ottenuto meno di un metro cubo di gas. Una parte di questo gas fu usata nel primo dirigibile al mondo riempito di elio, il dirigibile di classe C C-7 della Marina degli Stati Uniti, che volò il suo viaggio inaugurale da Hampton Roads, Virginia, al Bolling Field di Washington, D.C., il 1° dicembre 1921, quasi due anni prima che il primo dirigibile rigido riempito di elio della Marina, il Naval Aircraft Factory-built USS Shenandoah, volasse nel settembre 1923.

Sebbene il processo di estrazione con la liquefazione dei gas a bassa temperatura non sia stato sviluppato in tempo per essere significativo durante la prima guerra mondiale, la produzione continuò. L’elio era usato principalmente come gas di sollevamento in imbarcazioni più leggere dell’aria. Durante la seconda guerra mondiale, la domanda di elio per il gas di sollevamento e per la saldatura ad arco schermato aumentò. Lo spettrometro di massa ad elio era vitale anche nel progetto della bomba atomica di Manhattan.

Il governo degli Stati Uniti istituì la Riserva nazionale dell’elio nel 1925 ad Amarillo, in Texas, con l’obiettivo di fornire dirigibili militari in tempo di guerra e dirigibili commerciali in tempo di pace. A causa dell’Helium Act del 1925, che vietava l’esportazione di elio scarso su cui gli Stati Uniti avevano allora il monopolio della produzione, insieme al costo proibitivo del gas, l’Hindenburg, come tutti gli Zeppelin tedeschi, era costretto a usare l’idrogeno come gas di sollevamento. Il mercato dell’elio dopo la seconda guerra mondiale fu depresso, ma la riserva fu ampliata negli anni ‘50 per garantire una fornitura di elio liquido come refrigerante per creare carburante per razzi a ossigeno/idrogeno (tra gli altri usi) durante la corsa allo spazio e la guerra fredda. L’uso dell’elio negli Stati Uniti nel 1965 fu più di otto volte superiore al picco di consumo durante la guerra.

Dopo gli “Helium Acts Amendments of 1960” (legge pubblica 86-777), il Bureau of Mines degli Stati Uniti ha organizzato cinque impianti privati per recuperare l’elio dal gas naturale. Per questo programma di conservazione dell’elio, il Bureau ha costruito un gasdotto di 425 miglia (684 km) da Bushton, Kansas, per collegare questi impianti con il giacimento di gas di Cliffside, vicino ad Amarillo, Texas, parzialmente esaurito dal governo. Questa miscela di elio-azoto è stata iniettata e immagazzinata nel giacimento di gas di Cliffside fino al momento del bisogno, dopodiché è stata ulteriormente purificata.

Nel 1995, un miliardo di metri cubi di gas era stato raccolto e la riserva era indebitata per 1,4 miliardi di dollari, spingendo il Congresso degli Stati Uniti nel 1996 ad eliminare gradualmente la riserva. Il conseguente Helium Privatization Act del 1996 (legge pubblica 104-273) ha ordinato al Dipartimento degli Interni degli Stati Uniti di svuotare la riserva, le cui vendite sono iniziate entro il 2005.

L’elio prodotto tra il 1930 e il 1945 era puro al 98,3% circa (2% di azoto), adeguato per i dirigibili. Nel 1945, una piccola quantità di elio del 99,9% fu prodotta per uso di saldatura. Nel 1949 erano disponibili quantità commerciali di elio di grado A 99,95%.

Per molti anni, gli Stati Uniti hanno prodotto oltre il 90% dell’elio commercialmente utilizzabile nel mondo, mentre gli impianti di estrazione in Canada, Polonia, Russia e altre nazioni hanno prodotto il resto. A metà degli anni ‘90 è entrato in funzione un nuovo impianto ad Arzew, in Algeria, che ha prodotto 17 milioni di metri cubi (600 milioni di piedi cubi), con una produzione sufficiente a coprire tutta la domanda europea. Nel frattempo, nel 2000, il consumo di elio negli Stati Uniti era salito a più di 15 milioni di kg all’anno. Nel 2004-2006 sono stati costruiti altri impianti a Ras Laffan, in Qatar, e a Skikda, in Algeria. L’Algeria è diventata rapidamente il secondo produttore leader di elio. In questo periodo, sia il consumo di elio che i costi di produzione dell’elio sono aumentati. Dal 2002 al 2007 i prezzi dell’elio sono raddoppiati.

A partire dal 2012, la riserva nazionale degli Stati Uniti d’America per l’elio rappresenta il 30% dell’elio mondiale. Si prevedeva che la riserva si sarebbe esaurita nel 2018. Nonostante ciò, una proposta di legge del Senato degli Stati Uniti permetterebbe alla riserva di continuare a vendere il gas. Altre grandi riserve si trovavano nell’Hugoton in Kansas, negli Stati Uniti, e nei vicini giacimenti di gas del Kansas e nei manici del Texas e dell’Oklahoma. L’apertura di nuovi impianti di elio era prevista per il 2012 in Qatar, Russia, e nello stato americano del Wyoming, ma non ci si aspettava che avrebbero attenuato la carenza.

Nel 2013, il Qatar ha avviato la più grande unità di produzione di elio del mondo, anche se la crisi diplomatica del Qatar del 2017 ha colpito duramente la produzione di elio in quel Paese. Il 2014 è stato ampiamente riconosciuto come un anno di eccesso di offerta nel settore dell’elio, dopo anni di rinomata penuria. Il Nasdaq ha riferito (2015) che per Air Products, una società internazionale che vende gas per uso industriale, i volumi di elio rimangono sotto pressione economica a causa dei vincoli di fornitura di materie prime.

Occorrenza naturale

Sebbene sia raro sulla Terra, l’elio è il secondo elemento più abbondante nell’Universo conosciuto, costituendo il 23% della sua massa barionica. Solo l’idrogeno è più abbondante. La grande maggioranza dell’elio è stata formata dalla nucleosintesi del Big Bang da uno a tre minuti dopo il Big Bang. Come tale, le misurazioni della sua abbondanza contribuiscono ai modelli cosmologici. Nelle stelle, è formato dalla fusione nucleare dell’idrogeno nelle reazioni a catena protone-protone e dal ciclo CNO, parte della nucleosintesi stellare.

Nell’atmosfera terrestre, la concentrazione di elio in volume è di sole 5,2 parti per milione. La concentrazione è bassa e abbastanza costante nonostante la continua produzione di nuovo elio, perché la maggior parte dell’elio nell’atmosfera terrestre fuoriesce nello spazio attraverso diversi processi. Nell’eterosfera terrestre, una parte dell’alta atmosfera, l’elio e altri gas più leggeri sono gli elementi più abbondanti.

La maggior parte dell’elio sulla Terra è il risultato del decadimento radioattivo. L’elio si trova in grandi quantità nei minerali di uranio e torio, tra cui l’uraninite e le sue varietà cleveite e pechblenda, carnotite e monazite (un nome di gruppo; “monazite” di solito si riferisce a monazite-(Ce)), perché emettono particelle alfa (nuclei di elio, He2+) a cui gli elettroni si combinano immediatamente non appena la particella viene fermata dalla roccia. In questo modo si stimano circa 3000 tonnellate metriche di elio all’anno in tutta la litosfera. Nella crosta terrestre la concentrazione di elio è di 8 parti per miliardo. Nell’acqua di mare, la concentrazione è di sole 4 parti per trilione. Ci sono anche piccole quantità in sorgenti minerali, gas vulcanici e ferro meteorico. Poiché l’elio è intrappolato nel sottosuolo in condizioni che intrappolano anche il gas naturale, le maggiori concentrazioni naturali di elio sul pianeta si trovano nel gas naturale, da cui si estrae la maggior parte dell’elio commerciale. La concentrazione varia in un ampio intervallo da pochi ppm a più del 7% in un piccolo giacimento di gas nella contea di San Juan, New Mexico.

Produzione

A partire dal 2011 le riserve mondiali di elio sono state stimate in 40 miliardi di metri cubi, di cui un quarto nel giacimento di South Pars / North Dome Gas-Condensate di proprietà congiunta del Qatar e dell’Iran. Nel 2015 e nel 2016 sono state annunciate ulteriori probabili riserve sotto le Montagne Rocciose in Nord America e nel Rift dell’Africa orientale.

A partire dal 2011 le riserve mondiali di elio sono state stimate in 40 miliardi di metri cubi, di cui un quarto nel campo di South Pars / North Dome Gas-Condensate di proprietà congiunta del Qatar e dell’Iran. Nel 2015 e nel 2016 sono state annunciate ulteriori probabili riserve sotto le Montagne Rocciose in Nord America e nel Rift dell’Africa orientale.

Per un uso su larga scala, l’elio viene estratto per distillazione frazionata dal gas naturale, che può contenere fino al 7% di elio. Poiché l’elio ha un punto di ebollizione più basso di qualsiasi altro elemento, la bassa temperatura e l’alta pressione vengono utilizzate per liquefare quasi tutti gli altri gas (soprattutto azoto e metano). Il gas elio grezzo che ne risulta viene purificato da successive esposizioni ad abbassamenti di temperatura, in cui quasi tutto l’azoto e gli altri gas rimanenti vengono precipitati dalla miscela gassosa. Il carbone attivo viene utilizzato come fase finale di purificazione, che di solito si traduce in elio di grado A puro al 99,995%. La principale impurità dell’elio di grado A è il neon. In una fase finale di produzione, la maggior parte dell’elio prodotto viene liquefatto attraverso un processo criogenico. Ciò è necessario per le applicazioni che richiedono elio liquido e permette anche ai fornitori di elio di ridurre il costo del trasporto su lunghe distanze, poiché i più grandi contenitori di elio liquido hanno più di cinque volte la capacità dei più grandi rimorchi a tubi di elio gassoso.

Nel 2008, circa 169 milioni di metri cubi standard (SCM) di elio sono stati estratti dal gas naturale o prelevati dalle riserve di elio con circa il 78% dagli Stati Uniti, il 10% dall’Algeria e la maggior parte del resto da Russia, Polonia e Qatar. Entro il 2013, l’aumento della produzione di elio in Qatar (sotto la società RasGas gestita da Air Liquide) ha portato al 25% la frazione della produzione mondiale di elio del Qatar e ne ha fatto il secondo esportatore dopo gli Stati Uniti. Si stima che nel 2016 sia stato trovato in Tanzania un deposito di elio di 54 miliardi di piedi cubi (1,5×109 m3).

Negli Stati Uniti, la maggior parte dell’elio viene estratto dal gas naturale dei giacimenti di Hugoton e dei vicini giacimenti di gas in Kansas, Oklahoma, e del Panhandle Field in Texas. Gran parte di questo gas una volta veniva inviato via gasdotto alla National Helium Reserve, ma dal 2005 questa riserva è in via di esaurimento e di svendita, e si prevede che sarà in gran parte esaurita entro il 2021, in base al Responsible Helium Administration and Stewardship Act (H.R. 527) dell’ottobre 2013.

La diffusione del gas naturale grezzo attraverso speciali membrane semipermeabili e altre barriere è un altro metodo per il recupero e la purificazione dell’elio. Nel 1996, gli Stati Uniti avevano dimostrato riserve di elio, in tali complessi di pozzi di gas, di circa 147 miliardi di piedi cubi standard (4,2 miliardi di SCM). Ai tassi di utilizzo di allora (72 milioni di SCM all’anno negli Stati Uniti; vedi grafico a torta sotto) questo sarebbe stato sufficiente per circa 58 anni di utilizzo negli Stati Uniti, e meno di questo (forse l’80% del tempo) ai tassi di utilizzo mondiali, anche se i fattori di risparmio e di elaborazione hanno un impatto sui numeri effettivi delle riserve.

L’elio deve essere estratto dal gas naturale perché è presente nell’aria solo ad una frazione di quello del neon, eppure la domanda è molto più elevata. Si stima che se tutta la produzione di neon venisse riattrezzata per risparmiare elio, lo 0,1% della domanda mondiale di elio sarebbe soddisfatta. Allo stesso modo, solo l’1% della domanda mondiale di elio potrebbe essere soddisfatta riattrezzando tutti gli impianti di distillazione dell’aria. L’elio può essere sintetizzato mediante il bombardamento del litio o del boro con protoni ad alta velocità, o mediante il bombardamento del litio con deuteroni, ma questi processi sono un metodo di produzione completamente antieconomico.

L’elio è disponibile in commercio sia in forma liquida che gassosa. Come liquido, può essere fornito in piccoli contenitori isolati chiamati dewars che contengono fino a 1.000 litri di elio, o in grandi contenitori ISO che hanno capacità nominale fino a 42 m3 (circa 11.000 galloni statunitensi). In forma gassosa, piccole quantità di elio sono fornite in bombole ad alta pressione che contengono fino a 8 m3 (circa 282 piedi cubi standard), mentre grandi quantità di gas ad alta pressione sono fornite in rimorchi tubolari che hanno capacità fino a 4.860 m3 (circa 172.000 piedi cubi standard).

Secondo i conservatori dell’elio, come il fisico premio Nobel Robert Coleman Richardson, che ha scritto nel 2010, il prezzo di libero mercato dell’elio ha contribuito ad un utilizzo “dispendioso” (ad es. per i palloncini ad elio). I prezzi negli anni 2000 erano stati abbassati dalla decisione del Congresso degli Stati Uniti di vendere la grande riserva di elio del paese entro il 2015. Secondo Richardson, il prezzo doveva essere moltiplicato per 20 per eliminare l’eccessivo spreco di elio. Nel loro libro “Il futuro dell’elio come risorsa naturale” (Routledge, 2012), Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) hanno anche proposto di creare un’Agenzia internazionale dell’elio (IHA) per costruire un mercato sostenibile per questo prezioso bene.

Uso economico

Anche se i palloncini sono forse l’uso più conosciuto dell’elio, sono una parte minore di tutto l’uso dell’elio. L’elio è usato per molti scopi che richiedono alcune delle sue proprietà uniche, come il suo basso punto di ebollizione, la bassa densità, la bassa solubilità, l’alta conducibilità termica o l’inerzia. Della produzione totale mondiale di elio del 2014, pari a circa 32 milioni di kg (180 milioni di metri cubi standard) di elio all’anno, il maggiore utilizzo (circa il 32% del totale nel 2014) è nelle applicazioni criogeniche, la maggior parte delle quali comporta il raffreddamento dei magneti superconduttori negli scanner per risonanza magnetica medica e negli spettrometri NMR. Altri usi principali sono stati i sistemi di pressurizzazione e spurgo, la saldatura, la manutenzione di atmosfere controllate e il rilevamento di perdite. Altri usi per categoria sono stati relativamente minori.

Atmosfere controllate

L’elio è usato come gas protettivo nei cristalli di silicio e germanio in crescita, nella produzione di titanio e zirconio e nella gascromatografia, perché è inerte. A causa della sua inerzia, della sua natura termicamente e caloricamente perfetta, dell’alta velocità del suono e dell’alto valore del rapporto di capacità termica, è utile anche nelle gallerie del vento supersoniche e negli impianti a impulsi.

Saldatura ad arco di tungsteno a gas

L’elio è usato come gas di protezione nei processi di saldatura ad arco su materiali che a temperatura di saldatura sono contaminati e indeboliti dall’aria o dall’azoto. Un certo numero di gas inerti di schermatura sono utilizzati nella saldatura ad arco con gas tungsteno, ma l’elio è utilizzato al posto dell’argon più economico, soprattutto per la saldatura di materiali che hanno una maggiore conducibilità termica, come l’alluminio o il rame.

Altri usi

Rilevamento perdite industriali

Un’applicazione industriale per l’elio è il rilevamento delle perdite. Poiché l’elio si diffonde attraverso i solidi tre volte più velocemente dell’aria, viene utilizzato come gas tracciante per rilevare le perdite in apparecchiature ad alto vuoto (come i serbatoi criogenici) e nei contenitori ad alta pressione. L’oggetto testato viene posto in una camera, che viene poi evacuata e riempita di elio. L’elio che fuoriesce attraverso le perdite viene rilevato da un dispositivo sensibile (spettrometro di massa ad elio), anche a velocità di perdita di 10-9 mbar-L/s (10-10 Pa-m3/s). La procedura di misurazione è normalmente automatica e si chiama test dell’elio integrale. Una procedura più semplice è quella di riempire l’oggetto testato con elio e di cercare manualmente le perdite con un dispositivo portatile.

Le perdite di elio attraverso le fessure non devono essere confuse con la permeazione di gas attraverso un materiale sfuso. Mentre l’elio ha documentato costanti di permeazione (quindi un tasso di permeazione calcolabile) attraverso vetri, ceramiche e materiali sintetici, i gas inerti come l’elio non permeano la maggior parte dei metalli sfusi.

Volo

Poiché è più leggero dell’aria, i dirigibili e i palloncini sono gonfiati con elio per il sollevamento. Mentre l’idrogeno gassoso è più galleggiante, e fuoriesce permeando attraverso una membrana ad una velocità inferiore, l’elio ha il vantaggio di non essere infiammabile, e anzi di essere ignifugo. Un altro uso minore è nella missilistica, dove l’elio è usato come mezzo di ullage per spostare il carburante e gli ossidanti nei serbatoi di stoccaggio e per condensare l’idrogeno e l’ossigeno per fare carburante per razzi. È anche usato per spurgare carburante e ossidante dalle attrezzature di supporto a terra prima del lancio e per raffreddare l’idrogeno liquido nei veicoli spaziali. Ad esempio, il razzo Saturn V utilizzato nel programma Apollo necessitava di circa 370.000 m3 (13 milioni di piedi cubi) di elio per il lancio.

Minori usi commerciali e ricreativi

L’elio come gas respiratorio non ha proprietà narcotiche, per cui miscele di elio come trimix, eliox ed elioair sono utilizzati per le immersioni in profondità per ridurre gli effetti della narcosi, che peggiorano con l’aumentare della profondità. Come la pressione aumenta con la profondità, anche la densità del gas respiratorio aumenta, e il basso peso molecolare dell’elio si trova a ridurre notevolmente lo sforzo di respirazione abbassando la densità della miscela. Questo riduce il numero di Reynolds di flusso, portando ad una riduzione del flusso turbolento e ad un aumento del flusso laminare, che richiede meno lavoro di respirazione. A profondità inferiori a 150 metri (490 ft) i subacquei che respirano miscele di elio-ossigeno iniziano a sperimentare tremori e una diminuzione della funzione psicomotoria, sintomi della sindrome nervosa ad alta pressione. Questo effetto può essere contrastato in qualche misura aggiungendo una quantità di gas narcotico come l’idrogeno o l’azoto ad una miscela di elio-ossigeno.

I laser a elio-neon, un tipo di laser a gas a bassa potenza che produce un raggio rosso, avevano varie applicazioni pratiche che includevano lettori di codici a barre e puntatori laser, prima di essere quasi universalmente sostituiti da laser a diodi più economici.

Per la sua inerzia e l’elevata conducibilità termica, la trasparenza dei neutroni, e poiché non forma isotopi radioattivi in condizioni di reattore, l’elio è usato come mezzo di trasferimento del calore in alcuni reattori nucleari raffreddati a gas.

L’elio, miscelato con un gas più pesante come lo xeno, è utile per la refrigerazione termoacustica grazie all’elevato rapporto di capacità termica che ne deriva e al basso numero di Prandtl. L’inerzia dell’elio ha vantaggi ambientali rispetto ai sistemi di refrigerazione convenzionali che contribuiscono alla riduzione dell’ozono o al riscaldamento globale.

L’elio è utilizzato anche in alcuni hard disk.

Usi scientifici

L’uso dell’elio riduce gli effetti distorsivi delle variazioni di temperatura nello spazio tra le lenti in alcuni telescopi, grazie al suo indice di rifrazione estremamente basso. Questo metodo è particolarmente utilizzato nei telescopi solari, dove un tubo del telescopio a tenuta di vuoto sarebbe troppo pesante.

L’elio è un gas vettore comunemente usato per la gascromatografia.

L’età delle rocce e dei minerali che contengono uranio e torio può essere stimata misurando il livello di elio con un processo noto come datazione dell’elio.

L’elio a basse temperature è usato in criogenia e in alcune applicazioni criogeniche. Come esempi di applicazioni, l’elio liquido è usato per raffreddare alcuni metalli alle temperature estremamente basse richieste per la superconduttività, come nei magneti superconduttori per la risonanza magnetica. Il Large Hadron Collider del CERN utilizza 96 tonnellate metriche di elio liquido per mantenere la temperatura a 1,9 kelvin.

Biologia

L’elio neutro in condizioni standard non è tossico, non svolge alcun ruolo biologico e si trova in tracce nel sangue umano.

La velocità del suono nell’elio è quasi tre volte la velocità del suono nell’aria. Poiché la frequenza fondamentale di una cavità riempita di gas è proporzionale alla velocità del suono nel gas, quando l’elio viene inalato c'è un corrispondente aumento delle frequenze di risonanza del tratto vocale. La frequenza fondamentale (talvolta chiamata pece) non cambia, poiché questa è prodotta dalla vibrazione diretta delle pieghe vocali, che rimane invariata. Tuttavia, le frequenze di risonanza più alte causano un cambiamento nel timbro, con il risultato di una qualità vocale cangiante, simile ad un’anatra. L’effetto opposto, l’abbassamento delle frequenze di risonanza, può essere ottenuto inalando un gas denso come l’esafluoruro di zolfo o lo xeno.

Sicurezza

L’inalazione di elio può essere pericolosa se fatta in eccesso, poiché l’elio è un semplice asfissiante e quindi sposta l’ossigeno necessario per la normale respirazione. Sono stati registrati dei decessi, tra cui un giovane che è soffocato a Vancouver nel 2003 e due adulti che sono soffocati nel sud della Florida nel 2006. Nel 1998, una ragazza australiana di Victoria ha perso i sensi ed è diventata temporaneamente blu dopo aver inalato l’intero contenuto di un palloncino da festa. L’inalazione di elio direttamente dai cilindri pressurizzati o anche dalle valvole di riempimento dei palloncini è estremamente pericolosa, poiché un’elevata portata e pressione possono provocare un barotrauma, provocando la rottura fatale del tessuto polmonare.

La morte causata dall’elio è rara. Il primo caso registrato dai media è stato quello di una quindicenne del Texas morta nel 1998 per inalazione di elio alla festa di un amico; il tipo esatto di morte per elio non è stato identificato.

Negli Stati Uniti tra il 2000 e il 2004 sono stati segnalati solo due decessi, tra cui un uomo morto in North Carolina di barotrauma nel 2002. Un giovane asfissiato a Vancouver nel 2003 e un uomo di 27 anni in Australia ha avuto un’embolia dopo aver respirato da un cilindro nel 2000. Da allora due adulti sono stati asfissiati nel sud della Florida nel 2006, e ci sono stati casi nel 2009 e nel 2010, uno di un giovane californiano che è stato trovato con un sacchetto sulla testa, attaccato a una bombola di elio, e un altro adolescente in Irlanda del Nord è morto per asfissia. A Eagle Point, in Oregon, una ragazza adolescente è morta nel 2012 a causa di un barotrauma a una festa. Una ragazza del Michigan è morta di ipossia nel corso dell’anno.

Il 4 febbraio 2015 è stato rivelato che, durante la registrazione del loro show televisivo principale, il 28 gennaio, un membro di 12 anni (nome sconosciuto) del gruppo canoro giapponese 3B Junior, tutto femminile, ha sofferto di embolia aerea, perdendo conoscenza e cadendo in coma a causa di bolle d’aria che bloccavano l’afflusso di sangue al cervello, dopo aver inalato enormi quantità di elio come parte di un gioco. L’incidente è stato reso pubblico solo una settimana dopo. Lo staff della TV Asahi ha tenuto una conferenza stampa d’emergenza per comunicare che il membro era stato portato in ospedale e mostra segni di riabilitazione come occhi e arti in movimento, ma la sua coscienza non è stata ancora sufficientemente recuperata. La polizia ha avviato un’indagine a causa della mancata osservanza delle misure di sicurezza.

Il 13 luglio 2017 la CBS News ha riferito che un agente politico che avrebbe tentato di recuperare le e-mail mancanti dal server di Clinton, Peter W. Smith, si è “apparentemente” suicidato a maggio in una stanza d’albergo a Rochester, Minnesota, e che la sua morte è stata registrata come “asfissia dovuta allo spostamento di ossigeno in uno spazio confinato con elio”. Ulteriori dettagli sono seguiti nel Chicago Tribune.

I problemi di sicurezza dell’elio criogenico sono simili a quelli dell’azoto liquido; le sue temperature estremamente basse possono provocare ustioni da freddo, e il rapporto di espansione liquido/gas può causare esplosioni se non vengono installati dispositivi di alleggerimento della pressione. I contenitori di gas di elio a 5-10 K devono essere maneggiati come se contenessero elio liquido a causa della rapida e significativa espansione termica che si verifica quando il gas di elio a meno di 10 K viene riscaldato a temperatura ambiente.

Ad alte pressioni (più di circa 20 atm o due MPa), una miscela di elio e ossigeno (elio) può portare alla sindrome nervosa ad alta pressione, una sorta di effetto anestetico inverso; l’aggiunta di una piccola quantità di azoto alla miscela può alleviare il problema.