بازیافت هلیوم بدون نیاز به کریوژن
بازیافت هلیوم و استفاده از فناوری‌های روز بدون نیاز به کریوژن، برای مقابله با کمبود منابع “حیاتی” می‌باشد.
در گزارش‌هایی که اخیرا منتشر شده، به ضرورت انجام یک مطالعه جامع درباره این گاز نجیب، که منبعی حیاتی در زمینه تحقیقات مرتبط با میدان‌های مغناطیسی قوی است، اشاره شده است. علت آن این است که عرضه جهانی این عنصر، همچنان با محدودیت‌های بسیار شدید مواجه است. بخشی از این گزارش، به نقش ضروری آن در حفظ دماهای بسیار پایین مورد نیاز آهنرباهای ابررسانا پرداخته است. این آهنرباها اهمیت زیادی برای کمک به پیشرفت‌های علمی و استفاده در فناوری پیشرفته دارند.
نویسندگان این گزارش که با عنوان (وضعیت کنونی و جهت‌گیری آینده علم و فناوری مرتبط با میدان‌های مغناطیسی قوی در ایالات متحده آمریکا) منتشر شده، بر لزوم اقدام فوری برای حل مشکلات پیش روی تأمین این گاز خنثی تأکید کرده‌اند. در این گزارش خاطر نشان شده که بازیافت و استفاده مجدد از آن و همچنین بررسی فناوری‌های جایگزین بدون نیاز به کریوژن، اهمیت زیادی جهت کاهش ریسک در زمینه تحقیقات میدان مغناطیسی قوی، اهمیت زیادی دارد.
در این گزارش هشدار داده شده که: “بدون اغراق، اگر تأمین این گاز با کمبود طولانی‌مدت مواجه شود، سیستم‌های آهنربای ابررسانا مانند آن‌هایی که در MRI و ابزارهای تحقیقاتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، به مرور زمان بدون استفاده شده و حتی ممکن است برای همیشه کنار گذاشته شوند.”
این آهنرباها جهت حفظ دماهای بسیار پایین که لازمه راه‌اندازی سیستم ابررسانایی است، به این گاز نجیب و خنثی وابسته هستند. در این گزارش تأکید شده که پیشرفت در تحقیقات میدان مغناطیسی قوی و فناوری‌های مرتبط، در صورت عدم تأمین دائمی و مقرون به صرفه آن، به شدت مختل خواهد شد.
برای اطلاع از خطرات و کاربرد هلیوم مطالعه این مطلب را از دست ندهید.
بحران تامین هلیوم
پس از 16 سال توقف بازیافت، بحران جهانی تأمین این گاز که به “کمبود 4.0” شهرت دارد، در سال 2022 آغاز شد. مجموعه‌ای از رویدادهای غیرمنتظره، از جمله انفجار، آتش‌سوزی و قطعی برق، روند بازیافت را مختل کرد. تأسیسات Amur، متعلق به شرکت Gazprom، که برای پردازش و بازیافت طراحی شده بود، پس از راه‌اندازی با چالش‌های متعددی روبه‌رو شد و عملکرد آن به تعویق افتاد.
فیل کرنبلات از شرکت Kornbluth Helium Consulting در اجلاس Specialty Gas Summit 2024 gasworld توضیح داد که: “پس از مدتی کوتاه که تأسیسات Amur شروع به کار کرد، ابتدا وقوع آتش سوزی در اکتبر 2021 و سپس بروز انفجاری شدید در ژانویه 2022 ، باعث شد که ورود تأسیسات Amur به بازار تا دسامبر 2023 به تعویق افتد.”
این گزارش به بحران عرضه و تأثیرات آن بر تحقیقات و صنایع وابسته می‌پردازد. از آنجایی که این عنصر ارزشمند منبعی غیرقابل‌تجدید است، دسترسی به آن تا حد زیادی به استخراج از منابع گاز طبیعی بستگی دارد. ناپایداری در تأمین، همراه با نوسانات قیمت، چالش‌های متعددی برای مصرف‌کنندگان ایجاد کرده است.
بر اساس گزارش سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (ژانویه 2024)، تولید جهانی این گاز در سال 2023 (برحسب میلیون مترمکعب) میان کشورهای مختلف توزیع شده است.
نوسانات عرضه و افزایش هزینه‌ها، فعالیت‌های تحقیقاتی را با مشکلاتی جدی مواجه کرده است. این چالش‌ها به تأخیر در پروژه‌های علمی و حتی تعطیلی موقت برخی آزمایشگاه‌ها منجر شده است. به‌ویژه مراکز تحقیقاتی کوچک‌تر، به دلیل محدودیت منابع مالی، آسیب بیشتری دیده‌اند؛ چرا که توانایی مقابله با افزایش ناگهانی قیمت یا تأمین منابع جایگزین را در زمان کمبود ندارند.
برای اطلاع از قیمت گاز هلیوم مطالعه این مطلب را از دست ندهید.
بازیافت و استفاده دوباره
در این گزارش پیشنهاد شده که برای حل این چالش‌ها، برنامه‌های مرتبط با بازیافت و استفاده مجدد از هلیوم افزایش یابد. این گزارش بیان می‌کند که هرچند این برنامه‌ها به سرمایه‌گذاری اولیه قابل توجهی نیاز دارند، اما به منظور پایداری طولانی مدت برنامه تأمین هلیوم مورد استفاده در موسسات تحقیقاتی، حیاتی هستند. برنامه بازیافت هلیوم می‌تواند به طور قابل توجهی تقاضا برای خرید هلیوم جدید را کاهش داده و در نتیجه برخی فشارهای وارده بر زنجیره تأمین جهانی کاهش دهد.
در این گزارش، بررسی جامعی روی امکان‌سنجی فنی و اقتصادی سیستم‌های بازیافت هلیوم انجام شده است. این گزارش تأکید می‌کند که با وجود هزینه‌های اولیه بالا، صرفه‌جویی‌های طولانی مدت و امنیتی که این سیستم‌ها ارائه می‌دهند، آن‌ها را به سرمایه‌گذاری ارزشمندی تبدیل می‌کند. یک نمونه موفق برنامه بازیافت هلیوم، آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی قوی (NHMFL) در ایالات متحده است. NHMFL که یکی از قدرتمندترین آهنرباهای جهان را در اختیار دارد، برنامه‌ای گسترده برای بازیافت هلیوم پیاده‌سازی کرده است.
این سیستم، هلیومی را که ممکن است در طول آزمایش‌ها از دست برود، جمع‌آوری و تصفیه می‌کند و به این ترتیب مصرف هلیوم در کارهای مرتبط با آزمایشگاه‌های تحقیقاتی را کاهش می‌دهد. به گفته NHMFL، این آزمایشگاه حدود 85 الی 95 درصد از هلیوم مورد استفاده خود را بازیافت می‌کند. همچنین گزارشی وجود دارد مبنی بر اینکه این سیستم، سالانه بیش از 1 میلیون دلار صرفه‌جویی کرده است.
تکنولوژی بدون نیاز به کریوژن
در این گزارش همچنین به ضرورت انجام تحقیقات اکتشافی در زمینه فناوری‌های بدون نیاز به کریژون نسل بعدی، که موضوعی ورای کاربردهای هلیوم محسوب می‌شود، اشاره شده است. این فناوری‌ها که به هلیوم مایع وابسته نیستند، می‌توانند با ارائه روش‌های جایگزین برای دستیابی به دماهای پایین مورد نیاز برای آهنرباهای ابررسانا، باعث تحول ابررسانایی شوند.
توسعه سیستم‌های بدون نیاز به کریوژن نه تنها باعث کاهش ریسک‌های مرتبط با مشکلات تأمین هلیوم می‌شود، بلکه هزینه‌های عملیاتی تأسیسات میدان مغناطیسی قوی را نیز کاهش خواهد داد. برای حفظ میدان مغناطیسی دستگاه MRI، مقاومت سیم‌ها باید تقریباً به صفر برسد. این کار با غوطه‌ور کردن سیم‌ها در یک منبع مداوم هلیوم مایع که دمای آن 269.1- درجه سانتی‌گراد است عملی می‌شود. یک دستگاه MRI معمولی حدود 1,700 لیتر هلیوم مایع مصرف می‌کند، که البته هر چند وقت یکبار باید تعویض شود.
شرکت Cryogenic Limited مستقر در بریتانیا روش جدیدی برای خنک‌کردن آهنرباها در دستگاه‌های MRI تا دمای نزدیک صفر مطلق، بدون نیاز به تأمین مداوم هلیوم مایع یافته است. در این روش، با استفاده از تنها مقدار کمی هلیوم (حدود نیم لیتر مایع)، آهنرباها توسط فناوری‌های پیشرفته در دماهای پایین نگه داشته می‌شوند. دستگاه‌های مورد استفاده برای اینکار شامل یخچال‌های مکانیکی است که با برق و خنک کننده آب کار می‌کنند.
این شرکت در حال حاضر آهنرباهای خود را برای استفاده در تکنیک‌های تصویربرداری مختلف از جمله MRI، طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای و طیف‌سنجی چرخش الکترونی به کار برده است. جالب است بدانید که سیستم “dry” این شرکت، نیاز به نیروی انسانی متخصص برای جابجایی و مدیریت اندازه هلیوم مایع را از بین می‌برد.
جرمی گود، مدیرعامل Cryogenic Ltd، در بیانیه‌ای گفته است: “در سال‌های اخیر، آزمایشگاه‌های تحقیقاتی بزرگ مجبور شده‌اند به دلیل کمبود هلیوم، تأسیسات چند میلیون پوندی خود را به طور موقت تعطیل کنند و این مشکل در آینده بدتر خواهد شد. برای حل این مشکل، ارائه یک راه جایگزین که به تامین هلیوم وابسته نباشد، ضروری است.”
Cryogenic ادعا می‌کند سیستم‌های آن از “سردایش”، که مشکل شایعی در دستگاه‌های MRI است و باعث می‌شود سیم‌های الکترومغناطیس خاصیت ابررسانایی خود را از دست داده و بیش از حد داغ شوند، جلوگیری می‌کند. گرمای مورد نظر باعث تبخیر سریع هلیوم مایع شده و سپس از محفظه آهنربا خارج می‌شود. به همین دلیل است که تأسیسات نیازمند هلیوم مایع، نیازمند سیستم‌های تهویه تخصصی هستند. با این حال، در گزارش اشاره شده که این فناوری‌ها هنوز در مراحل اولیه خود بوده و برای اینکه به بلوغ برسند، نیازمند تلاش‌های جدی در زمینه تحقیق و توسعه هستند.
سیاست و سرمایه گذاری
در این گزارش برای حل مشکلات تامین هلیوم، چند توصیه کلیدی مرتبط با سرمایه گذاری و سیاست گذاری پیشنهاد شده است. نویسندگان این گزارش پیشنهاد می‌کنند که برای حل مشکلات تامین هلیوم، دولت‌های مختلف دست به تامین ذخایر استراتژیک هلیوم بزنند. این ذخایر می‌توانند در دوران کمبودهای شدید هلیوم به کمک ما آمده و مشابه با دیگر ذخایر منابع حیاتی، مدیریت شوند.
همچنین دولت‌ها و نهادهای سرمایه گذاری باید فاندهایی به مؤسسات تحقیقاتی دهند تا تحقیقات خود را در زمینه سیستم‌های بازیافت هلیوم دنبال کنند. این فاندها می‌توانند شامل کمک هزینه، معافیت‌های مالیاتی یا تأمین مستقیم مالی خرید و نصب تجهیزات بازیافت باشند.
در این گزارش همچنین بر افزایش سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه فناوری‌های بدون نیاز به کریوژن تاکید زیادی شده است. حمایت از این تحقیقات شامل تامین هزینه برای تحقیق‌های بنیادی و توسعه‌های کاربردی، به منظور تسهیل انتقال تحقیقات از آزمایشگاه به تجاری سازی است.