کاربردهای گاز هلیوم | موارد مصرف گاز Helium در صنعت و پزشکی

هلیوم چیست؟

اگر برایتان سوال پیش آمده که هلیوم چیست، باید بگوییم که گازی بی‌بو، غیرسمی، بی‌رنگ و بی‌مزه است که از نظر شیمیایی هم واکنش‌پذیری خیلی کمی دارد و از هوا سبک‌تر است. همین ویژگی‌ها باعث شده هلیوم در حوزه‌های مهمی مثل اکتشافات فضایی، دفاع ملی، پژوهش‌های علمی، فناوری‌های پزشکی، تولیدات پیشرفته و برنامه‌های انرژی نقش پررنگی داشته باشد. هلیوم تقریباً همیشه به شکل گاز وجود دارد، مگر در شرایط کاملاً خاص. در دماهایی نزدیک به صفر مطلق، هلیوم به حالت مایع درمی‌آید.

چرا هلیوم برای بعضی کاربردها جایگزین‌ناپذیر است؟

گاز هلیوم با ترکیبات عجیبی که از انواع وبژگی ها دارد و باعث نقطه متمایز آن نسبت به دیگر گزینه ها می شود، باعث شده در بعضی جاها “بهتر” نباشد؛ بلکه تنها انتخاب قابل اتکا باشد.

مهم ترین کاربردهای گاز هلیوم چیست؟

هلیوم جزو گازهای نجیب است؛ یعنی تقریباً وارد واکنش‌های شیمیایی نمی‌شود. این ویژگی در کارهایی که یک ذره واکنش ناخواسته می‌تواند کل محصول را خراب کند، حیاتی است. مثل:

• ساخت نیمه‌رساناها و فیبر نوری
• جوشکاری‌های حساس (مثل آلیاژهای واکنش‌پذیر)
• فرایندهای پوشش‌دهی و ذوب ویژه در هوافضا

چرا؟ چون وقتی فلز یا شیشه یا مواد حساس در دمای بالا هستند، گاز اکسیژن و نیتروژن هوا می‌تواند اکسیداسیون، حباب، ناخالصی یا افت کیفیت ایجاد کند. هلیوم مثل یک “پتو”ی بی‌دردسر روی فرایند می‌نشیند و اجازه نمی‌دهد هوا وارد بازی شود.

توان سرمایش در دماهای نزدیک به صفر مطلق

نقطه‌ی جوش هلیوم از هر عنصر دیگری به صفر مطلق نزدیک‌تر است، و یک نکته خیلی مهم دارد: هلیوم در فشار جو تا نزدیک صفر مطلق مایع می‌ماند و برای جامد شدن به فشار بالا (حدود ۲۵ اتمسفر) نیاز دارد.

برای همین هلیوم مایع در سرمازایی و خنک‌کاری ابررساناها بی‌رقیب است. چرا که:

• پتانسیل یونش هلیوم 24.587 eV است (یعنی سخت یونیزه می‌شود)
• هلیوم-۴ مایع در دمای کمتر از 2.18 K وارد فاز ابرسیال می‌شود و خواص فیزیکی شگفت‌انگیزی پیدا می‌کند.

نفوذپذیری بالا و نشت‌یابی فوق‌حساس

هلیوم خیلی سبک است و ویسکوزیته پایینی دارد، بنابراین راحت از ریزترین مسیرها عبور می‌کند. همین باعث می‌شود برای پیدا کردن نشتی‌هایی که با روش‌های معمول دیده نمی‌شوند، عالی باشد. آشکارسازهای نشتی هلیوم می‌توانند نشتی‌هایی را تشخیص دهند که هزاران برابر کوچک‌تر از روش‌های دیگر است؛ حتی در حد “کمتر از یک قطره آب در سال” (به زبان ساده یعنی فوق‌العاده ریز).

رسانایی گرمایی بالا در فرایندهای صنعتی

هلیوم هم در حالت گاز و هم در برخی شرایط سرمازایی، انتقال گرما را خیلی خوب انجام می‌دهد. این برای جاهایی مهم است که باید قطعه‌ها سریع و یکنواخت سرد شوند یا گرما از یک ناحیه حساس سریع گرفته شود؛ مثل:

• برخی عملیات حرارتی صنعتی
• کنترل دمای فرایندهای خاص
• پایداری فرایندهای پلاسما/لیزر در شرایط پرتوان

کاربردهای هلیوم در سرمازایی (Cryogenics)

بزرگ‌ترین بخش مصرف هلیوم مربوط به سرمازایی است. در سال ۱۹۹۶ مقدار مصرف هلیوم برای سرمازایی حدود ۶۲۰ میلیون scf گزارش شده.(scf واحد حجمی رایج در صنعت گاز است.)

کاربرد هلیوم در MRI و آهنرباهای ابررسانا

دستگاه MRI برای تولید تصویر، به یک میدان مغناطیسی بسیار قوی و پایدار نیاز دارد. در بسیاری از MRIهای پیشرفته، این میدان توسط آهنرباهای ابررسانا تولید می‌شود. ابررساناها موادی هستند که در دماهای بسیار پایین، مقاومت الکتریکی آن‌ها تقریباً به صفر می‌رسد؛ در نتیجه می‌توان جریان الکتریکی بسیار بالایی را در سیم‌پیچ‌ها برقرار کرد و میدان مغناطیسی قدرتمند و یکنواخت ساخت، بدون اینکه گرمای قابل توجهی تولید شود.
برای حفظ وضعیت ابررسانایی، سیم‌پیچ‌های آهنربای MRI باید دائماً در دماهای بسیار پایین نگه داشته شوند. هلیوم مایع به دلیل توانایی ایجاد و حفظ دماهای بسیار پایین (نزدیک به صفر مطلق)، به‌عنوان خنک‌کننده اصلی در این سیستم‌ها استفاده می‌شود. به همین دلیل، هلیوم در MRIهای ابررسانا یک ماده‌ی کلیدی و حیاتی محسوب می‌شود.

آیا جایگزینی برای هلیوم در آهن رباهای ابررسانا وجود دارد؟

طبق گزارشات به دست آمده، برای این کاربرد جایگزین واقعی و مطمئن در مقیاس عملی و گسترده وجود ندارد. هرچند استفاده از ابررساناهای دمای بالا (High-Tc) به‌عنوان یک مسیر جایگزین مطرح است، اما چالش‌های مهمی دارد؛ از جمله اینکه سیم‌های High-Tc می‌توانند تا ۵۰۰ برابر گران‌تر از سیم‌های رایج ابررسانا (مانند آلیاژهای مبتنی بر نیوبیوم–تیتانیوم) باشند و از نظر فنی نیز محدودیت‌هایی دارند. بنابراین در شرایط فعلی، این گزینه هنوز جایگزین اقتصادی و پایدار برای بسیاری از MRIها محسوب نمی‌شود.

چرا مصرف هلیوم در MRIها کاهش یافته است؟

به دلیل اینکه هلیوم گران است و تامین آن ممکن است نوسان داشته باشد. تولیدکننده‌ها برای اینکه MRI وابستگی‌اش به شارژ مداوم هلیوم کمتر شود، چند کار مهم کرده‌اند:

1)کرایواستات‌های بهینه‌تر
یعنی مخزن و عایق‌بندی آن‌قدر بهتر شده که گرما خیلی کمتر وارد سیستم شود و هلیوم دیرتر تبخیر شود.
2)کرایوکولر / میعان مجدد
این سیستم‌ها بخشی از هلیومی که تبخیر می‌شود را دوباره سرد می‌کنند و به حالت مایع برمی‌گردانند (مثل یک چرخه‌ی برگشت).
3)بهبود طراحی آهنربا و اتصالات
یعنی جاهایی که قبلاً گرما ایجاد کرده است یا نشتی حرارتی داشته، اصلاح شده تا مصرف پایین بیاید.
بر اساس همان داده‌ها، این پیشرفت‌ها موجب شده نسل‌های جدید دستگاه‌های MRI نسبت به نسل‌های قدیمی، تا ۱۰ برابر کمتر هلیوم مصرف کنند و در برخی مدل‌ها، فاصله‌ی زمانی بین شارژهای هلیوم حتی به حدود ۳ سال برسد (بسته به طراحی دستگاه و شرایط بهره‌برداری).

هلیوم در آزمایشگاه‌ها و پژوهش‌های دمای پایین

 در پژوهش‌های دمای پایین، هلیوم معمولاً دو کارکرد اصلی دارد: خنک‌کردن تجهیزات حساس و ایجاد دماهای بسیار پایین برای مشاهده پدیده‌هایی که در دمای معمولی قابل بررسی نیستند.

1) خنک‌کردن تجهیزات حساس (مثل آهنرباهای ابررسانا در NMR)
بسیاری از دستگاه‌های پیشرفته آزمایشگاهی برای کارکرد دقیق، به میدان مغناطیسی قوی و پایدار نیاز دارند. تولید این میدان در مدل‌های پیشرفته معمولاً با آهنرباهای ابررسانا انجام می‌شود.
ابررساناها فقط زمانی «ابررسانا» می‌مانند که دمای آن‌ها بسیار پایین باشد؛ زیرا با افزایش دما از آستانه‌ی کاری، مقاومت الکتریکی برمی‌گردد و پایداری میدان مغناطیسی به هم می‌ریزد.
در NMR (طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای) این موضوع بسیار مهم است؛ چون کوچک‌ترین ناپایداری در میدان مغناطیسی می‌تواند:

• دقت طیف را کاهش دهد،
• تفکیک پیک‌ها را بدتر کند،
• و کیفیت تحلیل ساختار مولکولی را پایین بیاورد.
  هلیوم مایع به‌عنوان خنک‌کننده‌ی اصلی یا به‌عنوان بخشی از سامانه‌های سرمایشیِ بسیار پایین، کمک می‌کند آهنربای ابررسانا در محدوده‌ی دمایی مناسب باقی بماند و میدان مغناطیسی پایدار تولید شود.
  2) ایجاد دماهای فوق‌العاده پایین برای پژوهش (کمتر از ۱ کلوین)
  در برخی حوزه‌های فیزیک ماده چگال، علوم مواد، شیمی و فناوری‌های کوانتومی، لازم است دما به محدوده‌ای برسد که نویز حرارتی به حداقل برسد و رفتارهای کوانتومی یا خواص ویژه‌ی مواد قابل مشاهده شود. اینجا هلیوم نقش محوری پیدا می‌کند، چون:
• نقطه جوش هلیوم از همه عناصر به صفر مطلق نزدیک‌تر است،
• و در شرایط مناسب می‌تواند محیطی برای رسیدن به دماهای بسیار پایین فراهم کند.
  برای رسیدن به دماهای بسیار پایین‌تر از ۱ کلوین، از سامانه‌های ویژه‌ای مانند یخچال‌های رقیق‌سازی ³He-⁴He استفاده می‌شود. این سامانه‌ها می‌توانند دما را تا مقیاس‌های بسیار پایین‌تری از آنچه با سرمایش تبخیری ساده‌ی ⁴He یا ³He به دست می‌آید، کاهش دهند. نتیجه عملی این است که اندازه‌گیری‌های بسیار حساس (مغناطیسی، الکتریکی، طیفی و …) با نویز کمتر و دقت بالاتر انجام می‌شود.
  3) اخترفیزیک و نجوم رصدی (کاهش نویز آشکارسازها)
  در آشکارسازهای فروسرخ و حسگرهای بسیار حساس، خودِ دستگاه می‌تواند منبع نویز باشد. هرچه آشکارساز گرم‌تر باشد، نویز حرارتی و الکتریکی بیشتر می‌شود و سیگنال‌های بسیار ضعیف (مثلاً از اجرام دوردست) در نویز گم می‌شوند.
  به همین دلیل، هلیوم برای خنک‌کردن این آشکارسازها استفاده می‌شود تا نویز کاهش پیدا کند و سیگنال‌های ضعیف قابل ثبت و تحلیل شوند.

  نقش هلیوم در صنعت نیمه‌رسانا و کرایوپمپ‌ها

  در زنجیره تولید نیمه‌رساناها، کنترل دقیق شرایط فرایندی (به‌ویژه خلأ، پاکیزگی گازها، و پایداری دمایی) حیاتی است. هلیوم در چند نقطه‌ی کلیدی نقش پشتیبان دارد که نبود آن می‌تواند کل فرایند را دچار اختلال جدی کند.
  1) تولید کریستال‌های بزرگ سیلیکون (کنترل و پایداری فرایند)
  یکی از مراحل مهم در تولید ویفرهای پیشرفته، رشد و تولید کریستال‌های بزرگ سیلیکون (مثلاً ۳۰۰ میلی‌متر) است. این فرایند به شدت به کنترل حرارتی دقیق و پایداری فرایند وابسته است. در برخی فناوری‌ها، برای افزایش پایداری فرایند و کنترل بهتر، از سامانه‌هایی استفاده می‌شود که به تجهیزات با نیاز سرمایشی بسیار پایین (از جمله آهنرباهای ابررسانا) متکی هستند؛ در چنین مواردی، هلیوم در چرخه سرمایش نقش دارد.
  2) پلاسماآچینگ و اهمیت خلأ پایدار
  در مراحل مختلف ساخت تراشه (مثل اچینگ و رسوب‌دهی)، تجهیزات باید در شرایط خلأ کار کنند. خلأ صرفاً به معنی “کم بودن هوا” نیست؛ باید گازهای مزاحم و بخارات آلاینده هم حذف شوند، چون حضور آن‌ها می‌تواند:
• کیفیت لایه‌ها را خراب کند،
• یکنواختی فرایند را به هم بزند،
• و نرخ خطا و ضایعات را بالا ببرد.

  3) کرایوپمپ‌ها (به دام انداختن آلاینده‌ها با سرمایش بسیار پایین)

  یکی از ابزارهای مهم برای حفظ خلأ تمیز در خطوط تولید، کرایوپمپ است. کرایوپمپ‌ها سطح‌هایی دارند که تا دماهای بسیار پایین سرد می‌شوند. وقتی این سطح‌ها بسیار سرد باشند، بسیاری از مولکول‌های گازیِ مزاحم روی آن‌ها می‌نشینند و به دام می‌افتند (به زبان ساده: از مسیر خارج می‌شوند و دیگر در محفظه نمی‌چرخند).
  برای دستیابی به این دماهای پایین و حفظ پایدار آن‌ها، سامانه‌های سرمایشیِ مبتنی بر هلیوم نقش کلیدی دارند. نتیجه مستقیم:
• خلأ عمیق‌تر و پایدارتر،
• آلودگی کمتر،
• و ثبات بالاتر فرایندهای حساس نیمه‌رسانا.
  

  جمع‌بندی کاربردهای صنعتی هلیوم

  در بسیاری کاربردها، افزایش هزینه هلیوم ممکن است قابل مدیریت باشد، اما نبود هلیوم یا اختلال جدی در دسترسی به آن می‌تواند بخشی از فرایندهای پیشرفته‌ی نیمه‌رسانا (به‌خصوص بخش‌هایی که به سرمایش بسیار پایین و خلأ تمیز وابسته‌اند) را به‌طور جدی مختل کند.

کاهش مصرف با چرخه بسته و میعان مجدد

دو مدل کلی برای کنترل مصرف هلیوم وجود دارد:

• چرخه بسته (Closed-cycle): گاز هلیوم دوباره جمع‌آوری و در سیستم گردش می‌کند.
• میعان مجدد (Recondense / Reliquefy): هلیومی که تبخیر می‌شود دوباره مایع می‌شود و برمی‌گردد.

این راهکارها در مراکز بزرگ رایج‌تر شده‌اند، ولی اجرای زیرساخت بازیابی در مقیاس دانشگاه یا آزمایشگاه معمولاً سرمایه‌گذاری سنگینی می‌خواهد و همیشه اقتصادی نیست.

کاربردهای هلیوم در هوافضا

در گزارشات به دست آمده گفته شده که مصرف هلیوم برای پرفشارسازی و پاکسازی در سامانه‌های موشکی و هوافضا در سال ۱۹۹۶ حدود ۴۷۰ میلیون scf بوده است.

پرفشارسازی مخازن پیشران

در موشک‌ها و سامانه‌های پیشرانش، باید مخازن پیشران تحت فشار کنترل‌شده باشند تا:

• از کاویتاسیون پمپ جلوگیری شود،
• و مخزن زیر بارهای سازه‌ای دچار مشکل نشود.

هلیوم اینجا نقش “فشاردهنده” دارد، بدون اینکه واکنش خطرناک ایجاد کند یا سیستم را آلوده کند.

پاکسازی خطوط سوخت در موتورهای کرایوجنیک

برای پاکسازی مسیرهای تغذیه پیشران (خصوصاً در موتورهای هیدروژن مایع)، هلیوم استفاده می‌شود چون:

• نقطه جوش هلیوم از هیدروژن پایین‌تر است
• و در تماس با شرایط خاص کرایوجنیک، رفتار قابل پیش‌بینی‌تری دارد

چرا گازهای دیگر ریسک‌زا هستند؟

گازهای دیگر ممکن است:

• یخ بزنند و ذرات بسازند و مسیرها را ببندند،
• یا با هیدروژن مایع واکنش دهند و یا در آن حل شوند و بازده را پایین بیاورند،
• و در موقعیت های بد، به خرابی‌های جدی منجر شوند.

کاربردهای هلیوم در جوشکاری و فرایندهای لیزری

هلیوم در برخی شاخه‌های جوشکاری و فرایندهای لیزری، یک گاز کمکی نیست؛ نقش آن مستقیماً روی کیفیت جوش، پایداری فرایند و بازده تولید اثر می‌گذارد. طبق داده‌های ارائه‌شده، مقدار هلیوم گزارش‌شده برای دسته‌ی «جوشکاری» در سال ۱۹۹۶ حدود ۴۷۰ میلیون scf بوده است (هرچند خود داده‌ها می‌توانند به دلیل نحوه‌ی گزارش‌دهی، شامل زیرمصرف‌های پراکنده هم باشند).

گاز محافظ در جوشکاری قوسی (GTAW/GMAW)

در جوشکاری قوسی، وجود یک گاز محافظ ضروری است؛ چون فلز مذاب و حتی الکترود تنگستن (در GTAW) اگر با اکسیژن و نیتروژن هوا تماس پیدا کند، احتمال اکسیداسیون، تخلخل، افت کیفیت و ناپایداری قوس افزایش می‌یابد. هلیوم در اینجا چند وظیفه‌ی اصلی دارد:

• محافظت از حوضچه مذاب در برابر هوای اطراف و جلوگیری از آلودگی جوی
• کمک به پایدار شدن قوس و بهبود شرایط انتقال حرارت در ناحیه جوش
• افزایش نفوذ جوش (Penetration)، به‌ویژه در اتصال‌های ضخیم یا فلزاتی که رسانایی گرمایی بالایی دارند (جایی که گرما سریع از ناحیه جوش دور می‌شود)

علت فنی این رفتارها به ویژگی‌های شناخته‌شده هلیوم برمی‌گردد: پتانسیل یونش بالا (یونیزه شدن سخت‌تر)، رسانایی گرمایی بالا و خنثی بودن شیمیایی. ترکیب این ویژگی‌ها باعث می‌شود قوس و حوضچه مذاب در شرایط بهتری کنترل شود و در بسیاری کاربردهای صنعتی، کیفیت و سرعت جوش افزایش یابد.

مخلوط آرگون و هلیوم

در عمل، هلیوم به‌تنهایی همیشه انتخاب اقتصادی نیست. به همین دلیل، مخلوط‌های آرگون و هلیوم رایج هستند؛ در داده‌های ارائه‌شده به ترکیب‌هایی مانند ۲۰٪ هلیوم و ۸۰٪ آرگون اشاره شده است. منطق این ترکیب‌ها روشن است:

• آرگون معمولاً قوس را پایدارتر می‌کند و هزینه پایین‌تری دارد.
• هلیوم نفوذ و سرعت جوش را افزایش می‌دهد و در برخی موقعیت‌ها پوشش‌دهی گاز محافظ را بهبود می‌دهد.

در نتیجه، استفاده از مخلوط‌ها امکان می‌دهد با کنترل هزینه، به کیفیت و بهره‌وری نزدیک به حالت استفاده از هلیوم خالص رسید.

نقش هلیوم در لیزرهای CO₂ (محافظت و کنترل پلاسما)

طبق داده‌های ارائه‌شده، مصرف هلیوم در عملیات‌های مرتبط با لیزر CO₂ حدود ۲۰۰ میلیون scf در سال گزارش شده و رشد هم داشته است (حدود ۲۰٪ در سال طبق متن). هلیوم در این حوزه دو نقش مشخص دارد:

1. گاز محافظ حوضچه جوش در لیزر
   در جوشکاری لیزری، گاز محافظ از اکسید شدن حوضچه مذاب جلوگیری می‌کند و در عین حال از اپتیک لیزر در برابر آلودگی و آسیب محافظت می‌کند.
2. جزئی از گاز لیزرکننده در لیزرهای CO₂
   ترکیب گاز در بسیاری از لیزرهای CO₂ معمولاً شامل نیتروژن، هلیوم و CO₂ است و در داده‌ها نسبت تقریبی ۳ : ۲ : ۱ برای N₂ : He : CO₂ ذکر شده است. نقش هلیوم در این مخلوط، کمک به خنک‌سازی و پایداری محیط لیزر است.

در توان‌های بالا (حدود بالای ۵ کیلووات) هلیوم به دلیل تمایل کمتر به یونیزه شدن، برای کاهش تشکیل پلاسما در ناحیه جوش مزیت دارد. تشکیل پلاسما می‌تواند مسیر پرتو را مختل کند و کیفیت فرایند را کاهش دهد.

از نظر بازیافت، در بخش گاز محافظ بازیابی ممکن است اما معمولاً به تجهیزات جمع‌آوری و پالایش نیاز دارد؛ زیرا گاز با دود جوش و هوای محیط مخلوط می‌شود و خالص‌سازی آن ساده نیست. در بخش  گاز داخل لیزر از نظر تئوری بازیافت ساده‌تر است چون چرخه بسته‌تر است، اما آلودگی‌ها و نیاز به نگهداری سیستم، همچنان مصرف دوره‌ای گاز را ایجاد می‌کند.

کاربردهای هلیوم در کنترل اتمسفر و تولیدات حساس

در بسیاری از فرآیندهای ساخت پیشرفته، هدف اصلی از استفاده هلیوم، ایجاد یک محیط خنثی و پایدار و کنترل دقیق انتقال حرارت است. طبق داده‌ها، مصرف «کنترل اتمسفر» در سال ۱۹۹۶ حدود ۴۱۰ میلیون scf گزارش شده است.

ساخت فیبر نوری و جلوگیری از حباب در شیشه

تولید فیبر نوری به مجموعه‌ای از مراحل حساس وابسته است که کوچک‌ترین نقص می‌تواند کارایی انتقال را کاهش دهد. هلیوم در این فرایند چند نقش کلیدی دارد:

• بهبود گرادیان حرارتی و یکنواختی لایه‌ها در فرآیندهای رسوب‌دهی (مانند MCVD)
• کمک به خنک‌کاری فیبر تازه کشیده‌شده بدون ایجاد واکنش شیمیایی
• جلوگیری از ایجاد حباب در شیشه؛ زیرا تشکیل حباب می‌تواند خواص انتقال نوری را مختل یا تخریب کند

طبق داده‌ها، مصرف هلیوم در تولید فیبر نوری حداقل در مقیاس ده‌ها میلیون scf برآورد شده و رشد هم داشته است. همچنین از نظر فنی، بازیافت هلیوم خروجی امکان‌پذیر است؛ چون آلاینده‌هایی مانند کلر می‌توانند با روش‌هایی مثل سردسازی و میعان از جریان گاز جدا شوند، اما اجرای آن تابع اقتصاد و زیرساخت است.

ذوب و پوشش‌دهی پلاسما-قوس در صنایع خاص

• پوشش‌دهی پلاسما-قوس (Plasma-Arc Coating): در این فرایند معمولاً مخلوطی مانند ۱۰٪ هلیوم و ۹۰٪ آرگون استفاده می‌شود، زیرا پوشش در محیط ۱۰۰٪ آرگون ممکن است چسبندگی مطلوب را ایجاد نکند. استفاده از هیدروژن به‌عنوان جایگزین مطرح شده، اما نگرانی‌های ایمنی و تردی هیدروژنی می‌تواند محدودیت ایجاد کند.
• ذوب پلاسما-قوس (Plasma-Arc Melting): برای تولید شمش‌های فلزی خاص مانند تیتانیوم (مثلاً برای قطعات موتورهای هواپیما) به کار می‌رود. در داده‌ها اشاره شده که جایگزین مشخصی برای هلیوم در این کاربرد وجود ندارد، زیرا آرگون به‌تنهایی گرمای ویژه کافی برای رسیدن به عمق ذوب مطلوب را فراهم نمی‌کند. در این فرایند، هلیوم در طول عملیات بازچرخش می‌شود اما به دلیل آلودگی شدید در پایان هر سیکل، تخلیه می‌گردد و بازیابی آن نیازمند فرآیند پالایش است.

عملیات حرارتی قطعات ضخیم و خنک‌کاری سریع

در برخی عملیات‌های حرارتی صنعتی، رسانایی گرمایی بالای هلیوم امکان سرد شدن سریع‌تر و یکنواخت‌تر قطعات ضخیم را فراهم می‌کند (برای نمونه در برخی سوپرآلیاژهای پایه نیکل). طبق داده‌ها، در بسیاری موارد می‌توان آرگون را جایگزین کرد، اما در کاربردهای ویژه که انتقال حرارت سریع و دقیق لازم است، هلیوم همچنان مزیت دارد.

کاربردهای هلیوم در نشت‌یابی

نشت‌یابی یکی از کاربردهای صنعتی مهم و حساس هلیوم است. مصرف گزارش‌شده برای این بخش در سال ۱۹۹۶ حدود ۱۴۰ میلیون scf بوده است.

چرا هلیوم برای نشت‌یابی بسیار مناسب است؟

هلیوم هم‌زمان چند ویژگی دارد که آن را برای این کار ایده‌آل می‌کند:

• نفوذپذیری بالا (عبور از ریزترین مسیرها)
• ویسکوزیته پایین و امکان حرکت آسان در میکروترک‌ها
• خنثی بودن (واکنش ندادن با مواد و گازهای دیگر)
• پس‌زمینه مزاحم کمتر نسبت به برخی گازها؛ برای مثال آرگون به مقدار حدود ۱٪ در جو حضور دارد و می‌تواند تشخیص را دشوارتر کند.

به همین دلیل، نشت‌یابی با آشکارسازهای تنظیم‌شده روی هلیوم یکی از دقیق‌ترین روش‌ها برای کشف نشتی‌های بسیار ریز است.

روش‌های رایج نشت‌یابی با هلیوم

• اسپری بیرونی + خلأ داخلی: سطح بیرونی قطعه با هلیوم پوشش داده می‌شود و داخل سیستم به آشکارساز (معمولاً طیف‌سنج جرمی تنظیم‌شده روی هلیوم) متصل است تا ورود هلیوم را تشخیص دهد.
• اسنیفر (Sniffer): هلیوم تحت فشار به داخل قطعه تزریق می‌شود و دستگاه اسنیفر در بیرون، هلیوم خروجی از محل نشتی را ردیابی می‌کند. در برخی سناریوها این روش می‌تواند امکان بازیابی بهتر گاز را فراهم کند.

کاربردهای هلیوم در مخلوط‌های تنفسی و غواصی

مصرف گزارش‌شده هلیوم برای مخلوط‌های تنفسی در سال ۱۹۹۶ حدود ۵۶ میلیون scf بوده است.

چرا هلیوم جای نیتروژن را می‌گیرد؟

در غواصی عمیق، استفاده از هوای معمولی (تقریباً ۲۰٪ اکسیژن و ۸۰٪ نیتروژن) می‌تواند خطراتی ایجاد کند؛ از جمله مشکلات مرتبط با جذب و آزادسازی گاز در بافت‌ها که یکی از پیامدهای شناخته‌شده آن «بِندز» است. طبق داده‌ها، مزیت هلیوم نسبت به نیتروژن شامل موارد زیر است:

• جذب و دفع سریع‌تر در بافت بدن
• کاهش مقاومت تنفسی در عمق
• امکان مدیریت بهتر زمان‌های دیکمپرس (کاهش فشار مرحله‌ای)

به همین دلیل، مخلوط‌هایی مانند ۸۰٪ هلیوم و ۲۰٪ اکسیژن در برخی شرایط غواصی و محیط‌های پرفشار استفاده می‌شوند.

ری‌بریدرها و کاهش مصرف هلیوم در غواصی

مصرف هلیوم در هر مأموریت غواصی معمولاً بالا نیست، زیرا سامانه‌های Rebreather گاز تنفسی را بازچرخش می‌کنند. همچنین با افزایش استفاده از ربات‌های زیرآبی در برخی مأموریت‌ها، مصرف این بخش می‌تواند ثابت یا کاهشی باقی بماند.

کاربردهای هلیوم برای بالابرندگی (بادکنک و بلیمپ)

بادکنک‌ها، بالن‌های هواشناسی و بلیمپ‌ها شناخته‌شده‌ترین کاربرد عمومی هلیوم هستند. با این حال، طبق داده‌ها مقدار مصرف دقیق این بخش در برخی آمارها به‌صورت جداگانه گزارش نمی‌شود.

چرا هلیوم از هیدروژن امن‌تر است؟

هیدروژن سبک‌تر از هلیوم است، اما واکنش‌پذیر و قابل اشتعال است. هلیوم به دلیل خنثی بودن، گزینه امن‌تری برای بالابرندگی محسوب می‌شود و همین عامل باعث شد در کاربردهای عمومی و بسیاری کاربردهای عملیاتی، جایگزین هیدروژن شود.

کاربردهای عملی در بالابرندگی

• بلیمپ‌های تبلیغاتی
• کاربردهای پایشی و حمل تجهیزات (مانند رادار)
• بالن‌های تحقیقاتی جوی و اخترفیزیکی
• و ایده‌هایی برای بالابری بارهای سنگین در برخی پروژه‌های مهندسی

آینده هلیوم؛ کجا ممکن است تقاضا دوباره جهش کند؟

چند مسیر توسعه‌ای که در صورت تجاری شدن گسترده، می‌توانند تقاضای هلیوم را افزایش دهند:

قطار مگلو (MAGLEV)

مگلوهای مبتنی بر ابررسانا به آهنرباهای ابررسانا و در نتیجه سرمایش نیاز دارند. در برخی نمونه‌ها، آهنرباها با سامانه‌های سرمایشی مبتنی بر هلیوم کار می‌کنند و توسعه این فناوری می‌تواند مصرف هلیوم را افزایش دهد.

ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMES)

در SMES انرژی در میدان مغناطیسی ذخیره می‌شود و چون ابررساناها مقاومت الکتریکی ندارند، بازده بسیار بالا می‌رود. گسترش SMES در مقیاس‌های بزرگ‌تر می‌تواند نیاز به سرمایش ابررساناها را افزایش دهد و در بسیاری سناریوها، هلیوم همچنان یکی از گزینه‌های اصلی سرمایش باقی می‌ماند.

الکترونیک ابررسانا و رادار

سامانه‌های ابررسانا برای رادار، جنگ الکترونیک و مبدل‌های بسیار سریع در حال توسعه‌اند. برای رسیدن به پایداری عملیاتی، بسیاری از این سامانه‌ها همچنان به سرمایش‌های بسیار پایین وابسته می‌مانند و در کوتاه‌مدت، سامانه‌های مبتنی بر هلیوم می‌توانند نقش مهمی داشته باشند.

راهنمای خرید گاز هلیوم

برای انتخاب و خرید گاز هلیوم، مهم‌ترین نکته این است که دقیقاً مشخص کنید هلیوم را برای چه کاربردی می‌خواهید (جوشکاری و لیزر، نشت‌یابی، آزمایشگاهی، نیمه‌رسانا، بالابرندگی یا مخلوط‌های تنفسی)؛ چون همین موضوع، گرید و خلوص موردنیاز، نوع بسته‌بندی (سیلندر یا تأمین حجمی)، فشار کاری، تجهیزات جانبی مثل رگولاتور و اتصالات، و حتی مقدار مصرف ماهانه را تعیین می‌کند. اگر می‌خواهید انتخابتان فنی و بدون خطا باشد، اخوان کلانتری می‌تواند با مشاوره تخصصی، پیشنهاد گرید مناسب، ارائه مستندات در صورت نیاز و تأمین مطمئن، مسیر خرید را برای شما سریع‌تر و دقیق‌تر کند؛ کافی است نوع مصرف و شرایط کارتان را اعلام کنید تا بهترین گزینه معرفی شود.

جمع‌بندی کاربردهای هلیوم

هلیوم به دلیل مجموعه ویژگی‌های خاص خود که شامل خنثی بودن، پتانسیل یونش بالا، نفوذپذیری مناسب برای نشت‌یابی، و توانایی ایجاد دماهای بسیار پایین می شود؛در چند حوزه کلیدی جایگاه تثبیت‌شده دارد: سرمازایی (به‌ویژه MRI و پژوهش)، هوافضا (پرفشارسازی و پاکسازی)، تولیدات حساس (فیبر نوری و نیمه‌رسانا)، نشت‌یابی دقیق، و برخی کاربردهای صنعتی مثل جوشکاری و فرایندهای لیزری. مسیر کاهش ریسک و کاهش اتلاف نیز عمدتاً بر چرخه‌های بسته، بازیافت و میعان مجدد تکیه دارد؛ به‌خصوص در کاربردهایی که مصرف پیوسته و هزینه قابل توجه است.