بحران کمبود هلیوم؛ آیا آینده دومین عنصر فراوان کیهان در اعماق زمین نهفته است؟

کشف دکستر مسیر صنعت هلیوم را هموار کرد؛ صنعتی که در جریان جنگ جهانی اول به سرعت توسعه یافت، زیرا کشورهای درگیر دریافتند هلیوم گزینه‌ای ایمن و مؤثر برای بالون‌ها و کشتی‌های هوایی نظامی است. برخلاف وسایل نقلیه هوایی پر از هیدروژن، نمونه‌های حامل هلیوم در برابر شلیک دشمن منفجر نمی‌شدند. علاوه بر این، ویژگی‌های منحصربه‌فرد هلیوم، به‌ویژه توانایی آن برای تبدیل به حالت مایع در دمای نزدیک صفر مطلق (منفی ۲۷۳٫۱۵ درجه سلسیوس یا منفی ۴۵۹٫۶۷ درجه فارنهایت)، امکان خنک‌کاری قطعات ماشین، مانند موتور و آهنرباها را بهتر از هر عنصر دیگری فراهم می‌کرد.

امروزه هلیوم یکی از اجزای حیاتی خنک‌کننده در رآکتورها، موشک‌ها و تجهیزات تشخیصی پزشکی مانند ام‌آر‌آی است. این گاز فیبر نوری، ابررساناها، رایانه‌های کوانتومی و نیمه‌هادی‌ها را خنک نگه می‌دارد، اما افزایش بی‌سابقه‌ی تقاضا، زنجیره‌ی تأمین را به نهایت ظرفیت رسانده و کمبود جهانی هلیوم بیش از یک دهه ادامه داشته است. استخراج هلیوم همچنین ردپای کربنی عظیمی دارد — تقریباً معادل مصرف سالانه‌ی بریتانیا — زیرا در حال حاضر، به‌طور انحصاری همراه با گاز طبیعی تولید می‌شود.

با این‌حال، در سال‌های اخیر، کشفیات پیشگامانه تغییر اساسی در درک دانشمندان از زمین‌شناسی انباشت هلیوم ایجاد کرده است. پژوهشگران مخازن هلیوم اولیه و «عاری از کربن» را شناسایی کرده‌اند؛ انباشت‌های عظیم گاز با غلظت بالا و بدون متان که می‌توانند صنعت را متحول کنند.

این درک نو، پروژه‌های اکتشافی در چندین منطقه‌ی جهان را به حرکت درآورده است. از یلوستون تا گرینلند و رافت شرق آفریقا، یک «جوشش هلیومی» آغاز شده تا هم کمبود جهانی هلیوم را کاهش دهد و هم اثرات کربنی عظیم استخراج این گاز را محدود کند. توماس آبراهام جیمز، بنیان‌گذار و مدیرعامل شرکت اکتشافی پولسار هلیوم در مصاحبه با نشریه لایوساینس گفت: «شاهد آغاز یک صنعت کاملاً نوین هستیم.»

پس از جنگ جهانی اول، کشفیات هلیوم چندین برابر افزایش یافت و ایالات متحده به تولیدکننده‌ی پیشتاز جهانی تبدیل شد. چاه‌های گازی با غلظت هلیوم ۰٫۳ درصد و بالاتر برای تأمین نیاز صنایع در‌حال‌رشد و ایجاد ذخیره‌ی فدرال هلیوم در آماریلوی تگزاس بهره‌برداری شدند. (این ذخیره در سال ۲۰۲۴ به شرکت صنعتی مسر واگذار شد.)

اما هلیوم تاکنون تنها به عنوان یک محصول جانبی کوچک تولید شده است و معمولاً در مقادیر اندک همراه با گازهای طبیعی، مانند متان، یافت می‌شود.

کریس بالنتاین، استاد ژئوشیمی دانشگاه آکسفورد، می‌گوید: «گازهایی مانند متان و دی‌اکسید‌کربن برای انتقال هلیوم از عمق میانی پوسته‌ی زمین به مناطق کم‌عمق‌تر لازم هستند.»

هلیوم در ۲۵ کیلومتر بالایی پوسته زمین شکل می‌گیرد، زمانی که اورانیوم و توریم طی واپاشی رادیواکتیو به عناصر دیگر تجزیه می‌شوند و ذرات آلفا، یا همان هسته‌های هلیوم، را آزاد می‌کنند. این هسته‌ها با دریافت دو الکترون از اتم‌های اطراف به اتم‌های هلیوم تبدیل می‌شوند و سپس به آرامی حرکت کرده و در آب‌های زیرزمینی تا عمق ۱۶ کیلومتر زیر سطح زمین انباشته می‌شوند.

اما برای اینکه اتم‌های هلیوم به گاز تبدیل شوند، باید به «نقطه حباب» خود برسند؛ یعنی غلظت یک گاز محلول در مایع که برای تشکیل حباب‌های شناور لازم است. هلیوم در آب‌های زیرزمینی به ندرت در مقادیر کافی تجمع می‌یابد تا به این نقطه برسد. بنابراین، گازهای دیگر مانند متان و دی‌اکسید‌کربن معمولاً لازم هستند تا هلیوم را در حباب‌ها محبوس کرده و آن‌ها را به سمت تله‌های زمین‌شناسی هدایت کنند.

تله‌های زمین‌شناسی اغلب میادین گاز طبیعی هستند. اما هلیوم همچنین به دام می‌افتد، زیرا میادین گاز طبیعی اغلب مهروموم‌های قدرتمندی دارند.

مخازن گاز طبیعی زیر لایه‌های سنگ‌های ریزدانه «کپ» و مواد معدنی شکل می‌گیرند. به گفته‌ی جان گلیواس، استاد انرژی زمین، ذخیره‌ی کربن و مهندسی در دانشگاه دورهام، هلیوم و گاز طبیعی زیر لایه‌ای ضخیم از نمک محبوس شده‌اند که مهروموم کاملی ایجاد می‌کند.

ارتباط هلیوم با گاز طبیعی به این معناست که شرکت‌ها می‌توانند هر دو را همزمان استخراج کنند، اما این روش معایب بزرگی دارد. صنعت هلیوم، حتی بدون تولید مستقیم دی‌اکسیدکربن، سالانه حدود ۳۵۰ میلیون تن کربن «غیرمستقیم» تولید می‌کند. به عبارت دیگر، استخراج همزمان هلیوم و گاز طبیعی اثر بسیار سنگینی بر محیط‌زیست دارد. برای مثال، ایران به‌عنوان یکی از تولیدکنندگان بزرگ گاز طبیعی، بخشی از این تأثیر محیط‌زیستی را به‌طور غیرمستقیم تجربه می‌کند.

دومین نکته منفی این است که کشورهای دارای ذخایر گاز طبیعی و شرکت‌های حفاری این ذخایر، کنترل عرضه‌ی جهانی هلیوم را در دست دارند. ایالات متحده زمانی تولیدکننده‌ی غالب بود، اما قطر در سال ۲۰۲۲ پیشتاز شد. الجزایر و روسیه نیز از دیگر پیشروها در تولید هلیوم هستند و همین تمرکز تولید، نگرانی‌های جهانی را افزایش می‌دهد. ایران هم با داشتن ذخایر گاز طبیعی چشمگیر، پتانسیل تأثیرگذاری بر بازار هلیوم را دارد و می‌تواند نقش مهمی در عرضه‌ی این گاز ایفا کند.

اما بزرگ‌ترین مشکل استخراج هلیوم این است که گاز طبیعی تنها مقادیر اندکی هلیوم دارد. برای مثال، در ایالات متحده، حد پایین سودآور برای جداسازی هلیوم از گاز طبیعی ۰٫۳ درصد است، اما برخی کشورها با روش‌های تولید و حمل‌و‌نقل متفاوت، آستانه‌ی بسیار پایین‌تری دارند. برای مثال، میدان گازی هاسی رمل در الجزایر ۰٫۱۹ درصد هلیوم و ذخایر گنبد شمالی قطر ۰٫۰۴ درصد هلیوم دارند، با این‌حال هر دو کشور هلیوم را از این محل‌ها استخراج می‌کنند.

داده‌ها نشان می‌دهند که تنها حدود یک در شش مخزن گاز طبیعی در ایالات متحده غلظت هلیوم بالاتر از ۰٫۳ درصد دارد و سطوح بالاتر از ۷ درصد بسیار نادرند، به این معنا که غلظت‌های اقتصادی هلیوم در ایالات متحده استثنا هستند.

این روند در سایر کشورها نیز مشابه است. بنابراین، وقتی پژوهشگران در سال ۲۰۱۶ یک مخزن گاز نیتروژن حاوی تا ۱۰٫۴ درصد هلیوم در تانزانیا یافتند، شگفت‌زده شدند. این گاز در حوضه‌ی ریوکا رافت از زمین به شکل حباب خارج می‌شد که بر روی یک مرز صفحه‌ای واگرا به نام رافت شرق آفریقا قرار دارد.

نکته‌ی مهم این است که حوضه‌ی ریوکا رافت هیچ مخزن گاز طبیعی یا هیدروکربن دیگری ندارد. این نخستین کشف بزرگ تأییدشده از مخزن هلیوم عاری از هیدروکربن بود و به سرآغازی برای جستجوی جهانی برای یافتن مخازن مشابه تبدیل شد.

بالنتاین، گلیواس و آبراهام جیمز از اعضای تیمی بودند که این کشف را در تانزانیا ثبت کردند. گلیواس می‌گوید: «روش ما اساساً مشابه آن چیزی است که هر کاوشگر نفتی استفاده می‌کند. ما به دنبال تراوش‌ها رفتیم.» تراوش‌های هلیوم همه‌جا هستند، اما یافتن آن‌ها پیچیده‌تر از نفت است، زیرا هلیوم بی‌رنگ، بی‌بو و معمولاً در غلظت‌های پایین وجود دارد.