O hélio é difícil de substituir
(construction-physics.com)- O hélio só pode ser obtido como subproduto da extração de gás natural, o que o torna muito vulnerável a conflitos geopolíticos e falhas na cadeia de suprimentos
- É usado como recurso essencial em MRI, semicondutores, fibra óptica, aeroespacial e pesquisa científica graças ao resfriamento criogênico e às propriedades inertes
- Em áreas como litografia EUV e resfriamento de ímãs supercondutores, não existe gás substituto devido às suas propriedades físicas
- Em alguns setores, sistemas de reciclagem estão reduzindo o consumo, mas a substituição completa é impossível
- Como o fornecimento de hélio está diretamente ligado à produção de gás natural, regulações ambientais e atrasos na expansão da infraestrutura provocam insegurança de abastecimento no longo prazo
Cadeia de suprimentos do hélio e sua insubstituibilidade
- A guerra com o Irã e o bloqueio do Estreito de Ormuz afetam gravemente não só o petróleo, mas também a cadeia de suprimentos do hélio
- O hélio é produzido como subproduto da extração de gás natural, e o Catar responde por cerca de 1/3 do fornecimento mundial
- Com o bloqueio do estreito, os preços do hélio dispararam, e fornecedores declararam força maior (force majeure)
- A reserva estratégica de hélio mantida pelo governo dos EUA foi totalmente vendida em 2024
Características do hélio e estrutura de produção
- O hélio é o elemento mais leve depois do hidrogênio e o segundo mais abundante no universo
- Na atmosfera terrestre, por ser leve, escapa para o espaço, por isso só pode ser extraído comercialmente de camadas subterrâneas de gás natural
- É gerado pela decomposição radioativa de urânio e tório e se acumula em camadas gasosas ao longo de milhões de anos
- Estados Unidos e Catar respondem por cerca de 2/3 da produção global, enquanto Rússia, Argélia, Canadá, China e Polônia produzem o restante
- O hélio é o elemento com o menor ponto de ebulição: 4.2K(-452°F)
- Como permanece líquido até no zero absoluto, é essencial para resfriamento criogênico
- Propriedades como inércia, alta condutividade térmica e leveza permitem seu uso em diversos setores
Principais usos industriais do hélio
- O consumo anual global é de cerca de 180 milhões de m³; embora seja pequeno comparado ao nitrogênio ou ao gás natural, trata-se de um recurso essencial e insubstituível
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Equipamentos de MRI
- Respondem por cerca de 17% do consumo de hélio nos EUA
- É usado no resfriamento de ímãs supercondutores, e ímãs de NbTi só mantêm a supercondutividade em temperaturas 9,2 graus acima do zero absoluto
- No passado, havia perda de 0,4 litro por hora, mas hoje projetos de “zero boil-off” quase eliminam a necessidade de reabastecimento
- Existem alguns aparelhos de MRI com supercondutores de alta temperatura, mas a maioria dos 50 mil MRI ainda depende de hélio
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Indústria de semicondutores
- Consome cerca de 25% do hélio mundial e cerca de 10% nos EUA
- É usado em crescimento de silício pelo método Czochralski, litografia EUV, limpeza de câmaras de vácuo e detecção de vazamentos
- Em equipamentos EUV, o hélio é insubstituível porque quase não absorve radiação EUV
- Segundo relatórios da indústria, o uso de hélio deve quintuplicar até 2035
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Fabricação de fibra óptica
- Usa 5% a 6% do hélio global
- É empregado como gás de resfriamento que evita a formação de bolhas ao unir o núcleo e o revestimento de vidro
- Não há outro gás que possa substituí-lo
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Gás de purga
- É usado na indústria aeroespacial para limpeza de tanques de hidrogênio líquido e oxigênio líquido
- A NASA é a maior usuária de hélio nos EUA, respondendo por cerca de 7% do consumo total
- Seu baixo ponto de ebulição e propriedades inertes dificultam a substituição por outros gases
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Gás de sustentação
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Usado em dirigíveis e balões, respondendo por cerca de 18% do consumo nos EUA
- É mais seguro que o hidrogênio, mas sofre forte volatilidade de preço em períodos de escassez
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Pesquisa científica e instrumentação
- Respondem por cerca de 22% do consumo nos EUA
- É essencial para equipamentos criogênicos ou de alta precisão, como ímãs supercondutores, SQUIDs e espectrômetros de massa
- Grandes instalações de pesquisa, como o LHC do CERN, também usam grandes volumes
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Soldagem
- Responde por cerca de 8% do consumo nos EUA
- Graças à inércia e alta condutividade térmica, é adequado como gás de proteção para metais fundidos
- Em muitos países, costuma ser substituído por argônio
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Mergulho
- Responde por cerca de 5% do consumo nos EUA
- É incluído em misturas respiratórias para mergulho profundo (Trimix) para evitar narcose por nitrogênio
- Além do hélio, apenas o neônio pode servir como substituto parcial, mas sua maior resistência respiratória reduz a praticidade
Esforços para economizar e reciclar hélio
- Em alguns setores, gases substitutos ou sistemas de reciclagem têm reduzido o consumo
- A redução de perdas em equipamentos de MRI e a introdução de sistemas de reciclagem pela NASA diminuíram o uso no setor aeroespacial de 18,2 milhões de m³ (26%) em 2010 → 4 milhões de m³ (7%)
- No entanto, a maior parte do hélio nos EUA ainda não é recuperada, e a reciclagem pode permitir redução de mais de 90%
- A substituição completa é impossível; o hélio é avaliado como um recurso em que é possível “reduzir”, mas difícil “eliminar”
Restrições de oferta e implicações para políticas públicas
- O fornecimento de hélio está diretamente ligado ao volume de produção de gás natural
- Para garantir novo suprimento de hélio, o meio mais direto é expandir a extração de gás natural
- Nos EUA, existem reservas de gás ainda não desenvolvidas no Alasca, no Golfo do México e no xisto de Marcellus
- Porém, devido a regulações ambientais e atrasos em licenças, a aprovação de novos projetos muitas vezes leva mais de 10 anos
- Restrições no fornecimento de hélio e gás natural geram volatilidade de preços e riscos à segurança
- Por isso, intervenção de políticas públicas e expansão da infraestrutura são tarefas centrais para estabilizar o abastecimento
1 comentários
Comentários do Hacker News
Menos de 10% das usinas a gás natural recuperam hélio; o restante é liberado na atmosfera
Isso não é um problema de física, mas de engenharia e viabilidade econômica
Produzir hélio por fusão nuclear é irrealista, mas um futuro em que se atiram prótons no hidrogênio para encher balões seria pura ficção científica
O hélio é um gás inerte, então não há moléculas que possam ser decompostas, e também há limites para obtê-lo por decaimento radioativo
Acho que o motivo de as empresas não agirem com visão de longo prazo é a estrutura de bônus
Não me preocupo com escassez de hélio
Tecnicamente, ele pode ser extraído sem grandes dificuldades; o problema é a viabilidade econômica
Se o preço subir, os investimentos vão aumentar e a oferta vai acompanhar
Hoje, a previsão de demanda e o custo do investimento não batem, então a rentabilidade é baixa
Com crescimento de 3% ao ano, o esgotamento viria em 80 a 140 anos; com 5%, em 50 a 90 anos
Dizer “eu não me preocupo” é, no fim das contas, apenas uma visão egoísta entre gerações
Recentemente ouvi uma entrevista com um produtor de hélio no podcast Odd Lots da Bloomberg
Ela trata da estrutura do mercado de hélio e dos problemas de oferta
Quando meu filho teve uma crise severa de asma, o tratamento com hélio salvou a vida dele
O médico falou sobre o problema da escassez de hélio e disse que detesta hélio para balões
Percebi na prática como é um recurso precioso
Só de reduzir usos substituíveis, como soldagem, flutuação e gás de purga, já daria para compensar toda a produção do Catar
Se somarmos reciclagem, o problema de oferta pode ser bastante amenizado
Estão em andamento experimentos para substituir parte do hélio por hidrogênio em misturas gasosas para mergulho
O risco de incêndio e os efeitos fisiológicos ainda são incertos, mas há potencial para mergulho comercial, militar e de exploração
Mergulhadores recreativos em geral provavelmente nunca usarão hidrogênio
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Se a precisão dos braços robóticos operados remotamente aumentar, isso já seria suficiente para substituir
O episódio do podcast Odd Lots foi interessante
Ele fala sobre como os EUA venderam sua reserva estratégica de hélio a preço de banana, como se fosse “para balões”, e sobre as dificuldades de produção, refino e transporte do hélio
Na época, o valor estratégico do hélio era baixo, e o principal uso durante a Guerra Fria eram balões militares de reconhecimento
Ninguém imaginava que depois ele se tornaria um recurso essencial para a litografia de semicondutores
Ao usar a reserva estratégica como se fosse uma fonte permanente de suprimento e manter os preços artificialmente baixos, acabou-se chegando à escassez atual
O que mais preocupa é a dependência da litografia EUV
A ressonância magnética reduziu o consumo em mais de 90% com projetos de baixa evaporação, mas na fabricação de semicondutores a quantidade de hélio por wafer está aumentando
Isso não é um problema de reciclagem, mas de crescimento da demanda
As repercussões econômicas de uma ruptura na cadeia de suprimentos de hélio podem durar décadas
O mais preocupante é que poucas pessoas, especialmente nos EUA, parecem reconhecer a gravidade do problema
Isso me lembrou do ensaio The Vanishing Element, de Asimov, que li nos anos 1980
Ele alertava que, uma vez liberado na atmosfera, o hélio é um recurso que se perde no espaço
Dá a sensação de que aquela previsão virou realidade
Na atmosfera, ele se mistura com o ar e apenas uma parte atinge velocidade de escape
Parte dele escapa para o espaço por fatores combinados, como o vento solar, mas o mecanismo exato ainda é motivo de debate