Nästa gång du plockar upp ballonger för din stora fest, kom ihåg att heliumgasen i dessa ballonger är avsedd för stjärnorna. Helium är så lätt att det lätt slipper jordens gravitation, och allt helium kommer så småningom att ta sig ut i rymden. Liksom fossila bränslen är helium en begränsad resurs.
Heliumbrist har blivit ett akut problem för många forskare. Sedan början av 2022 har en mängd olika faktorer satt press på den globala heliummarknaden, inklusive den potentiella försäljningen av USA:s offentliga heliumreserver och produktionsinfrastruktur, sanktioner mot Ryssland och en rad haverier vid heliumfabriker.
Fyra heliumbrister har inträffat under det senaste decenniet, och dessa störningar påverkar flera högteknologiska industrier. Förutom att blåsa upp ballonger spelar helium en roll vid svetsning av vissa metaller och vid tillverkning av halvledare.
Medicinsk avbildning och kemisk analysforskning använder också helium. Flytande helium kylt till –450 °F (–268 °C) håller de supraledande magneterna i instrument som magnetisk resonanstomografi, eller MRI, och kärnmagnetisk resonans, eller NMR, system svala.
Heliumbrist sätter press på många industrier, och när en brist uppstår kan heliumkostnaderna öka dramatiskt. Även konsumenter kan påverkas – priserna för uppblåsta partyballonger och heliumtanksatser har ökat avsevärt.
Både MRI- och NMR-instrument kräver extremt starka magnetfält för att fungera. Det mest effektiva sättet att generera dessa fält använder supraledande tråd. En supraledande elektrisk ström genererar ett magnetfält, och när de väl startat kan dessa strömmar fortsätta i årtionden utan ytterligare elektrisk ingång.
Men det finns en hake. Utan flytande helium värms trådarna snabbt upp. Med tiden förångas heliumet som används för att kyla magneterna. Superledningsförmågan försvinner, och magnetfältet försvinner.
Tidigare i år skapade LK-99, en potentiell ny supraledare för rumstemperatur, rubriker över hela världen. Ett sådant material, om det hittas, skulle kunna eliminera behovet av helium i MRI- och NMR-system.
Hittills har LK-99 inte gett något genombrott inom supraledning, även om forskare fortfarande jagar nya supraledande material.
Tills forskare hittar en funktionell supraledare i rumstemperatur behöver MRI- och NMR-anläggningar helium. Ett litet till medelstort universitet eller sjukhus kan spendera 20 000 USD per år på flytande helium, eftersom deras förråd med flytande helium behöver fyllas på med några månaders mellanrum.
Större anläggningar behöver mer, och under de senaste två till tre åren har priset på helium fördubblats. Som ett resultat av detta har vissa institutioner tvingats stänga av strömmen till sina instrument. Denna process stänger av magnetfältet, vilket effektivt stoppar instrumentets aktivitet tills anläggningen kan köpa helium igen.
Ett tillvägagångssätt för att ta itu med heliumbristen innebär att söka ytterligare heliumkällor. Helium erhålls normalt som en biprodukt vid borrning efter naturgas, eftersom helium samlas under jord i fickor som innehåller metan och andra kolväten.
Metan är en växthusgas och förbränning av naturgas släpper ut koldioxid i atmosfären. Metan och koldioxid i atmosfären bidrar till klimatförändringarna.
Men fickor av helium som inte är blandade med naturgas kan finnas på platser under jorden. Forskare som letar i Afrika har identifierat vad som kan vara ett stort heliumförråd i Tanzanias Rukwa-region.
Minst två företag försöker aktivt lokalisera dessa fickor, som härrör från unik vulkanisk aktivitet i området. Borrning på dessa platser kan vara ett mer klimatvänligt alternativ – även om alla former av borrning har lokala miljöpåverkan.
I början av december 2023 verkar heliumnivåerna som hittades vid borrning av dessa fickor lovande. Den senaste utforskningen avslöjar heliumnivåer på minst 2% till 3%, mer än 1 000 gånger normala atmosfäriska nivåer. Detta är i nivå med andra borrplatser som producerar helium.
Två företag söker för närvarande efter helium i Afrika, och båda planerar att fortsätta leta efter högre heliumnivåer. Oberoende branschbedömningar uppskattar dock att nya heliumanläggningar kanske inte kommer online förrän 2025 eller senare.
Trots detta löser inte dessa ansträngningar det större problemet – behovet av en förnybar heliumkälla.
Tills forskare har pålitliga supraledare i rumstemperatur eller hittar en obegränsad tillgång till helium, är bevarande av tillgängligt helium den bästa vägen framåt. Lyckligtvis blir detta lättare att göra.
Forskare vid Iowa State University började återvinna sitt helium på 1960-talet. Sedan dess har denna teknik blivit billigare, och både U.S. National Science Foundation och U.S. National Institutes of Health har finansierat ansträngningar för att installera heliumåtervinningsutrustning i akademiska forskningsmiljöer.
Dessa system blir allt vanligare, även i mindre NMR-anläggningar. Och forskare, inklusive forskare i mitt labb, hjälper varandra genom att dela med sig av sina erfarenheter av att installera den här utrustningen.
Heliumåtervinningssystem innefattar tre huvudkomponenter. Först finns det ett system som transporterar avdunstat helium från de supraledande magneterna. Denna komponent övervakar avdunstningshastigheten och säkerställer ett jämnt flöde genom systemet.
För det andra finns det ett insamlingssystem. För stora anläggningar består denna av en stor, smidig väska. Påsen expanderar när den samlar upp det förångade heliumet och lagrar det tillfälligt. Den här väskan är storleken på en liten bil, och där utrymme är ett problem kan mindre anläggningar använda heliumtankar för förvaring.
För det tredje finns det ett system som återförliknar det gasformiga heliumet. Detta är den dyraste komponenten, och den använder elektrisk energi för att kyla heliumet. När det är flytande överför anläggningspersonalen heliumet tillbaka till magneterna.
Medan heliumbristen har lett till betydande utmaningar, är många forskare optimistiska inför framtiden. Forskare fortsätter att söka efter supraledare i rumstemperatur. Nya heliumanläggningar i Tanzania kan öka utbudet. Och mer utbredd tillgång till heliumåtervinningsutrustning gör det möjligt för forskare att bevara denna värdefulla resurs.
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
