L’ELIO (ma non quello delle storie tese)

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Era il 16 Luglio del 1969, quando alle 9:31 L’apollo XI decollò per lo storico volo che portò i primi uomini sulla Luna. Come tutte le missioni Apollo a partire dalla IV, l’Apollo 11 era spinto dal razzo più potente cazzuto mai costruito dall’uomo, il SATURN V o Saturnone per gli amici.

Adesso vi starete chiedendo perché vi dico tutto questo considerando che questo non è un sito aerospaziale ? Bene, le ragioni sono 3:

  1. Perché sono un nerd e mi piacciono le cose che volano.
  2. Perché mi serviva una foto da mettere a inizio articolo e l’elio essendo un gas non si
    vedeva bene.
  3. Perché l’elio non viene solo usato per le nostre miscele ma fu anche usato in tutti gli
    stadi del programma Apollo, dal gigantesco SATURN V al piccolo modulo lunare.

Ah stavo per dimenticare, l’elio è anche il secondo gas più abbondante nell’universo dopo l’idrogeno.
Ma quindi perché l’elio è sempre più scarso e, come ben sappiamo, il suo prezzo continua costantemente a salire?

Cos’è l’elio e perché è così presente nell’universo?
L’elio è l'elemento chimico della tavola periodica che ha come simbolo He, come numero atomico 2 ed è un gas nobile incolore, inodore, insapore, non tossico e inerte. Si presenta come gas  monoatomico ed è caratterizzato dal fatto di avere il più basso punto di ebollizione fra tutti gli elementi, per questo raggiunge lo stato liquido solo se posto ad altissime pressioni. Come detto in precedenza, con il suo 24% del volume totale, l’elio è il secondo gas più abbondante  dell’universo. La maggior parte dell’elio presente nello spazio si formò durante il Big Bang ma grandi quantità di nuovo elio vengono create giornalmente dalla fusione nucleare dell'idrogeno all’interno delle stelle.

Storia
L’elio fu scoperto per la prima volta nel 1868 dagli astronomi Pierre Janssen e Sir Joseph Lockyer mentre indipendentemente stavano studiando un eclisse solare. Usando uno spettrometro, entrambi notarono una fascia di luce gialla attorno al sole che non corrispondeva a nessuno elemento allora conosciuto. Lockyer suggerì il nome Helium dal dio Greco del sole Helios.
L’ufficializzazione avvenne nel 1895 quando William Ramsay, un chimico Scozzese, notò che trattando la cleveite (un minerale radioattivo contenente uranio), con dell'acido questa emanava dell’elio.

Verso la fine del 1800 e i primi del 900, quando l’aviazione era ancora agli albori, in Germania andavano di moda i dirigibili che per sollevarsi si affidavano quasi esclusivamente all’idrogeno. Durante la prima guerra mondiale, l’elio entrò nel radar degli gli Stati Uniti quando capirono che non essendo infiammabile era migliore dell’idrogeno e lo dichiararono materiale critico per la guerra.

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“Quando sei un gas nobile e quindi migliore del comunissimo idrogeno”

La produzione venne presa in mano esclusivamente dal governo (tra il 1929 e il 1960 era l’unico produttore di elio negli Stati Uniti) e l'esportazione ridotta solo agli alleati.
Nel 1925 gli Stati Uniti passarono l’Helium Conservation Act con il quale si creava la National Helium Reserve e che proibiva la vendita di elio a enti non governativi. Fu solamente nel 1937, quando il dirigibile Hindenburg esplose in una gigantesca palla di fuoco durante l’atterraggio in New Jersey, che le restrizioni sull’esportazione e la vendita furono riviste e l’elio sostituì l’idrogeno nei dirigibili commerciali.


Durante la seconda guerra mondiale l’elio fu nuovamente dichiarato materiale bellico critico. Uno degli usi più singolari per il quale venne adoperato era il gonfiaggio degli pneumatici dei bombardieri a lungo raggio. Essendo più leggero dell’aria permetteva all’aereo di imbarcare 70 kg di carburante in più.


Nel corso della guerra fredda, la National Helium Reserve divenne ancora più importante. La necessità di elio da parte del governo aumentò notevolmente in quanto usato nella produzione di missili balistici intercontinentali e dalla NASA nel programma spaziale. Come conseguenza nel 1960 il governo degli Stati Uniti passò l’Helium Act Amendments con il quale vennero garantiti incentivi ai produttori di gas naturale per separare elio grezzo e venderlo al governo. Il ministero degli interni venne autorizzato a usare i soldi dei contribuenti per comprare l’elio dai produttori privati. Vennero selezionati 5 raffinerie di gas naturale alle quali venne concesso di estrarre elio e vennero posati 680 km di tubature per connetterli alla ormai quasi vuota National Helium Reserve. Nel Amendments Act fu anche stabilito che il Bureau of mines doveva fissare il prezzo di vendita dell’elio in modo da coprire i costi del programma di acquisizione e stoccaggio. Tuttavia, negli anni seguenti la richiesta di elio da parte di enti governativi non mantenne le aspettative e presto la richiesta da parte dei privati superò quella governativa. Intanto tra il 1960 e il 1995 vennero immagazzinati circa 35 miliardi di piedi cubi di elio (lo so, sti americani e le loro misure imperiali di sta minchia 😫😫) ma siccome come detto gli enti governativi non ne acquistavano a sufficienza la riserva si trovò con un debito di 1.4 miliardi di dollaroni !!

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“Se usassero il sistema metrico per misurarsi il bigolo avrebbero un numero più alto”

Nel 1996, visto che il settore privato chiedeva elio a gran voce, e bisognava trovare i soldi per coprire almeno in parte il debito della riserva, il congresso degli Stati Uniti passò l’ Helium Privatisation act con il quale istruiva il ministero degli interni di vendere (in un periodo di 10 anni tra il 2005 e 2015) a raffinerie private tutto l’elio grezzo contenuto nella National Helium Reserve. Durante quel decennio l’immenso quantitativo di elio che era stato immagazzinato cominciò ad essere venduto aumentando improvvisamente l’offerta sul mercato e causando di conseguenza una drastica caduta del prezzo. In pratica l’elio divenne velocemente economico e quindi cosa si fa? Lo sperperiamo… Giusto!! Questo comportamento portò ad un rapido esaurimento delle riserve e all’attuale carenza di elio sul mercato con la conseguente impennata del prezzo. Va detto che, accorgendosi della gran cagata fatta povera decisione presa, il governo degli Stati Uniti ha poi introdotto nuove leggi per limitare la svendita dell’elio. Ad oggi, il 75% dell’elio consumato globalmente è proveniente da 3 raffinerie: Ras Laffan Industrial City in Qatar, ExxonMobil in Wyoming e la National Helium Reserve in Texas.


Come viene prodotto sulla Terra?
Come abbiamo visto in precedenza l’elio nello spazio è un prodotto di scarto della fusione nucleare nuculare dell’idrogeno nelle stelle. Tuttavia, questo non è ciò che avviene sulla Terra.

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“Si dice NUCULARE!!!”

Sul nostro amato pianeta l’elio è prodotto nel sottosuolo dal decadimento radioattivo di elementi pesanti come l’uranio e il torio. Parte delle radiazioni emesse da questi minerali sono particelle alfa che sono alla base dei nuclei di elio. Questo processo naturale a differenza della fusione atomica avviene molto lentamente. Parte dell’elio così prodotto si fa strada attraverso la crosta terrestre e una volta raggiunta la superficie sale fino ad uscire dall’atmosfera. Il resto invece resta intrappolato sotto strati di roccia impermeabile dove si mischia ad altri gas come il metano. Generalmente, la concentrazione d’elio che si trova nei depositi di gas naturale varia da 0 fino ad un massimo di 4%, ma solamente un decimo dei depositi di gas nel mondo ha una concentrazione di elio superiore al 0.4% tale da renderne l’estrazione economicamente sostenibile.


Estrazione
L’elio è spesso ottenuto come prodotto di scarto dalla raffinazione del gas naturale. Nel gas grezzo estratto dai pozzi, oltre al metano e agli altri idrocarburi sono anche presenti azoto, vapore acqueo, anidride carbonica e altri gas non combustibili. Per produrre gas naturale con un soddisfacente potere termico queste impurità devono essere eliminate dal mix. Ci sono vari metodi di raffinazione ma quando la miscela grezza contiene più dello 0.4% d’elio il processo più comunemente usato per separarlo dal resto è la distillazione criogenica. Una volta separato dal gas naturale l’elio viene poi ulteriormente raffinato fino a un grado di purezza del 99.99% per usi commerciali.
Il processo di raffinazione è piuttosto complicato ma lo si può dividere essenzialmente in tre passaggi.

PRE-TRATTAMENTO:
siccome per separare l’elio vengono utilizzate temperature criogeniche, in questo passaggio vengono eliminati tutte le impurità (acqua, anidride carbonica e certi idrocarburi pesanti) che possono solidificare e ostruire il passaggio del gas attraverso le tubature.

  1. Il gas è pressurizzato e fatto passare attraverso uno scrubber dove viene spruzzata monoetanolammina che assorbe l’anidride carbonica.
  2. Il flusso di gas passa poi attraverso un setaccio molecolare che rimuove le grandi particelle di vapore acqueo lasciando passare il resto dei gas.
  3. Gli idrocarburi pesanti vengono poi eliminati facendo passare la miscela attraverso
    dei filtri a carboni attivi. La miscela così ottenuta adesso contiene principalmente
    metano e azoto con piccole percentuali di elio, idrogeno e neon.

SEPARAZIONE:
Il gas naturale è diviso nei suoi componenti principali utilizzando il metodo della distillazione frazionata. Con questo processo il metano e l’azoto vengono separati lasciando così una miscela ricca di elio.

  1. La miscela passa attraverso una valvola ad espansione che permette al gas di espandersi velocemente mentre la pressione precipita da 55 a 10-15 atm. Questa rapida espansione raffredda il gas al punto che il metano comincia a liquefare.
  2. Il flusso di gas, adesso in parte liquido, entra nella base della colonna di rettifica ad alta pressione. Mentre i gas salgono verso l’alto continuando a raffreddarsi il metano liquido viene raccolto sul fondo della colonna e verrà poi rettificato ulteriormente.
  3. I gas che si sono accumulati nella parte alta della colonna vengono ulteriormente raffreddati in un condensatore, l’azoto si condensa in vapore e viene separato dalla miscela. Quel che rimane è chiamato elio grezzo ed è composto da 50-70% elio, 1-3% metano, tracce di idrogeno e neon, e il restante da azoto.

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“Apprezzate il fatto che per una volta allego un’immagine sensata invece che le solite cazzate…”

PURIFICAZIONE:
L’elio grezzo deve essere purificato per eliminare le restanti impurità. Questo solitamente è
un processo che avviene in più fasi con diversi metodi di separazione in relazione al grado di
purezza che si vuole ottenere.

  1. L’elio grezzo viene innanzitutto raffreddato a -193°C. A questa temperatura la maggior parte dell’azoto e del metano diventano liquidi e vengono eliminati. La miscela è adesso circa 90% elio.
  2. Alla miscela viene aggiunto ossigeno, la miscela viene riscaldata e fatta passare in un catalizzatore che fa reagire l'azoto con l’ossigeno creando vapore acqueo. Successivamente il gas è nuovamente raffreddato per far condensare il vapore che viene eliminato.
  3. L’ultimo passaggio comporta il far passare molteplici volte il flusso di gas attraverso filtri speciali fino ad ottenere una purezza del 99.99%.

Usi
Come accennato brevemente ad inizio articolo, l’elio non viene solamente usato per farci raggiungere i nostri relitti preferiti che spesso giacciono a profondità proibitive. Nemmeno gonfiare palloncini, credeteci o no, è l’uso principale di questo gas.

Di tutto l’elio usato annualmente circa il 30% viene usato per usi criogenici. Grazie al suo bassissimo punto di ebollizione l’elio liquido raggiunge temperature di -269°C (4.2 gradi Kelvin).Per mettere in prospettiva questi numeri basti pensare che la temperatura del più famoso azoto liquido è di “solamente” -200/210°C e quella dello spazio cosmico è di 3°K. Questa capacità di raffreddamento è essenziale per l’uso dei superconduttori, materiali nei quali se portati ad una certa temperatura l’elettricità scorre senza alcuna resistenza creando potenti campi magnetici. In campo pratico, i superconduttori vengono usati principalmente nelle macchine per la risonanza magnetica ma non solo. Se vi dico facciamo un viaggio in treno, sono sicuro che la prima cosa che vi viene in mente sono lunghe attese e viaggi interminabili… ma non in Giappone! I nostri vecchi alleati, che di velocità e puntualità ne fanno un vanto stanno costruendo il treno più veloce del mondo che Frecciarossa levati dai binari. Lo Shinkansen vanta velocità record superiori a 600 km/orari e li raggiunge proprio grazie all’uso dei superconduttori come metodo propulsivo.

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“Non solo è veloce, è anche tremendamente bello”

Altri esempi di superconduttività applicata sono il Large Hadron Collider del CERN che usa la bellezza di 96 TONNELLATE di elio liquido!!! Google invece sta sviluppando un super computer il quale funzionamento si basa sulla superconduttività.

Il secondo campo in cui l’elio è molto usato (17% del consumo annuale) è come gas “scudo” per saldatrici ad arco. Il gas in questo caso ha il compito di impedire che la zona che si sta saldando entri in contatto con l’atmosfera evitando così che avvenga ossidazione.

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“Mi sono appena iscritto ad un corso per saldatori… Così, non so perché”

Come ho già accennato ad inizio articolo l’elio è usato (11% del consumo totale) anche nei razzi a combustibile liquido. Questo tipo di razzi al loro interno hanno 2 serbatoi, uno per il combustibile (che nei vecchi SATURN V era cherosene RP-1) e uno per l’ossidante che solitamente è ossigeno liquido. Quando i motori vengono accesi e i due serbatoi cominciano
a svuotarsi al loro interno si crea un vuoto che se non viene riempito bloccherebbe l’afflusso ai motori. Per colmare il vuoto serve un gas leggero e altamente comprimibile per occupare il meno spazio possibile e serve anche che sia inerte perché non vogliamo che reagisca con il combustibile o l’ossidante. Risulta che l’elio sia il gas ideale. Oggi i SATURN V non sono più utilizzati (e qui aggiungerei un purtroppo) ma l’elio è ancora usato allo stesso scopo nei razzi più moderni come quello del programma SpaceX o nei missili balistici intercontinentali.

L’elio viene comunemente usato anche negli airbag delle macchine dove grazie alla sua velocità di espansione garantisce un gonfiaggio quasi istantaneo. Un altro uso dove l’elio trova impiego è nell'individuazione di perdite in condizionatori, frigoriferi, impianti pressurizzati o anche per gli scafi delle navi. L’elio, grazie al fatto che ha un alto coefficiente di diffusione e l’atomo più piccolo di tutti gli elementi penetra tra i materiali 3 volte più velocemente dell’aria. Se un impianto ha anche solo una micro perdita la si trova più velocemente con l’elio.

Ci sono molti altri campi dove l’elio trova impiego. Viene comunemente usato nella creazione di atmosfere controllate in campo medico e tecnologico, viene usato tra le lenti dei telescopi per ottenere immagini più nitide, è usato nella produzione delle fibre ottiche e di certi tipi di laser.

Ultimo ma non per importanza è forse quello per cui l’elio è più conosciuto… Gonfiare palloncini e modificare la voce quando inalato. Considerata la scarsità dell’elio, il suo uso ludico è visto in maniera molto controversa da alcuni scienziati, ma poi hanno paura di dire ai bambini che non possono più avere il palloncino al mercato e quindi zitti e muti!!! Non solo i bambini trovano intrattenimento con i palloncini gonfiati ad elio. Per esempio, se vi dicessi che si possono fare palloncini commestibili e che vengono serviti al ristorante dopo il dolce ?? Controllate qui ma vi avviso… in questo ristorante 5€ non bastano nemmeno per l’acqua.

Cosa ha in serbo il futuro?
Il fatto che l’elio sia un gas non rinnovabile e che sia sempre più scarso è un fatto ben documentato… Anche a voi se avete letto fino a qui!!! 😊😊. Nel primo decennio del 2000, quando l’elio veniva svenduto come le poltrone in Parlamento, il premio Nobel Robert Richardson che studiò proprio la superfluidità dell’elio stimò che avremmo finito tutte le scorte disponibili entro il 2020. Per fortuna Richardson era più bravo come scienziato che come veggente, e anche grazie a delle nuove leggi negli USA che ne regolano il prezzo, di elio ne abbiamo ancora.

Ad oggi gli Stati Uniti sono ancora il maggiore produttore di elio al mondo, ma il fatto che il Qatar abbia trovato grandi giacimenti nel suo territorio, e che più recentemente anche Russia e Sudafrica abbiano iniziato a produrne in discrete quantità ci ha permesso di alleviare temporaneamente lo stato di carenza e di spostare la data di estinzione dell’elio qualche decennio più in la.

Nonostante questi nuovi giacimenti, è solamente una questione di tempo prima che ridurremo a zero le riserve, e considerando che in molti casi non ci sono alternative valide per sostituire l’elio bisognerà trovare un altra fonte. Per fortuna ci sono già alcune opzioni disponibili. È possibile estrarre l’elio dall’atmosfera come si fa anche per azoto e ossigeno, ma considerando le piccolissime quantità presenti costerebbe solamente dieci mila volte il prezzo attuale, se volete fare un investimento a lungo termine comprate bombole di elio e tenetele in cantina… l’elio sarà il nuovo bitcoin!!! Mi ringrazierete in futuro.

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“ il prossimo lotto, un pallone rosso di ottimo elio annata 2021. Prezzo di partenza 10 milioni.”

La seconda opzione sarebbe di ottenerlo nello spazio. Studi effettuati alla NASA sulle rocce lunari recuperate dagli astronauti delle missioni Apollo, mostrano che l’elio viene assorbito dal suolo lunare. Ci sono circa 22 grammi di elio in un metro cubo di terriccio lunare. C’è anche idrogeno nel suolo, che gli astronauti potrebbero usare come combustibile e per produrre acqua… Arriverà il giorno che sarà economicamente fattibile costruire miniere sulla luna per ottenere elio.

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Bene, anche questa volta se avete letto fino a qui vi avete il mio rispetto. Quando un paio di settimane fa mi chiesi come si produce l’elio non mi aspettavo di fare un viaggio che mi portasse dalla prima guerra mondiale fino a delle miniere sulla Luna. Spero vi sia piaciuto leggerlo e che vi siate fatti un paio di risate… Alla prossima!!!

[Pat]

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