هلیوم را نمیتوان بهطور کامل جایگزین کرد، اما با استفاده از نیتروژن، آرگون، هیدروژن، مخلوطهای گازی و فناوریهای بازیافت، میتوان مصرف آن را به شکل مؤثر و اقتصادی کاهش داد.سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778
گاز هلیوم (Helium) یکی از عناصر کمیاب و ارزشمند در کره زمین است که نقشی کلیدی در فناوریهای پیشرفته دارد. این گاز نجیب، بیبو، بیرنگ و بیاثر بوده و به دلیل خواص فیزیکی استثنایی مانند دمای جوش بسیار پایین (۲۶۹- درجه سانتیگراد)، رسانایی حرارتی بالا و غیرقابل اشتعال بودن، در طیف وسیعی از صنایع از پزشکی و پژوهش تا الکترونیک و جوشکاری استفاده میشود.
اما واقعیت این است که Helium برخلاف بسیاری از گازهای صنعتی، منبع تجدیدناپذیر دارد. بیشتر هلیوم جهان از استخراج گاز طبیعی بهدست میآید و پس از آزاد شدن به جو، تقریباً غیرقابل بازیافت است. این کمبود، بسیاری از کشورها و شرکتها را به سمت یافتن گزینههای جایگزین برای هلیوم سوق داده است. پرسش اصلی اینجاست: آیا میتوان هلیوم را با گازهای دیگر جایگزین کرد یا تنها میتوان مصرف آن را کاهش داد؟
چرا جایگزینی هلیوم دشوار است
ویژگیهای منحصربهفرد هلیوم باعث شده هیچ گاز دیگری نتواند تمام کاربردهای آن را همزمان پوشش دهد. این گاز چگالی بسیار کمی دارد، رسانای حرارتی عالی است، در واکنشهای شیمیایی شرکت نمیکند و در دماهای نزدیک صفر مطلق به حالت مایع باقی میماند.
به عنوان مثال، در دستگاههای MRI، تنها هلیوم میتواند آهنرباهای ابررسانا را تا دمای ۴ کلوین خنک کند. در جوشکاری فلزات سبک، چگالی پایین و توان انتقال حرارتی آن موجب ایجاد قوس پایدار میشود. در بالنها، به دلیل بیاثر بودن و غیرقابل اشتعال بودنش، تنها انتخاب ایمن است. بنابراین، جایگزینی کامل آن ممکن نیست، اما میتوان برای هر صنعت خاص، گزینههای جایگزین جزئی در نظر گرفت.
جایگزینهای هلیوم در صنایع مختلف
در جدول زیر، کاربردهای اصلی Helium و گازهای جایگزین مؤثر برای هر حوزه آورده شده است:
| کاربرد صنعتی یا علمی | نقش هلیوم در فرآیند | گزینه یا گاز جایگزین مناسب | مزایا و محدودیتها |
|---|---|---|---|
| خنکسازی در سیستمهای کرایوجنیک و MRI | مایعسازی تا ۴ کلوین برای ابررساناها | نیتروژن مایع، خنککنندههای مکانیکی | ارزانتر اما دمای پایینتر از ۷۷ K ندارد؛ مناسب برای کاربردهای غیرابرساز |
| جوشکاری TIG و MIG | گاز محافظ بیاثر برای قوس الکتریکی | آرگون، آرگون+هیدروژن، آرگون+CO₂ | اقتصادیتر؛ در برخی فلزات عمق نفوذ کمتر |
| بالنها و هواپیماهای سبک | تأمین نیروی شناوری و بیخطر بودن | هیدروژن، مخلوط نیتروژن+هیدروژن | سبکتر و ارزانتر؛ خطر اشتعال بالا |
| تست نشتی و فشار | گاز مرجع با نفوذپذیری بالا | نیتروژن+۵٪ هیدروژن (Forming Gas) | ایمن، دقیق، قابل استفاده در سیستمهای نشتیابی الکترونیکی |
| آزمایشگاهها و NMR | خنککننده و گاز حامل در دستگاهها | نیتروژن، هیدروژن خالص، نئون | بسته به دما و دقت؛ هزینه و خطرات متفاوت |
| صنایع نیمههادی و لیزر | گاز حامل بیاثر و پایدار | نئون، آرگون | جایگزین نسبی؛ در برخی فرآیندها کارایی کمتر دارد |
این جدول نشان میدهد که هیچ گاز واحدی قادر به جایگزینی کامل Helium نیست، اما در کاربردهای جزئی، ترکیب فناوریهای جدید و مخلوطهای گازی میتواند نیاز به آن را تا حد زیادی کاهش دهد.
نیتروژن مایع؛ جایگزین اقتصادی در سرمایش
در بسیاری از صنایع، هدف اصلی از استفاده Helium ، دستیابی به دماهای بسیار پایین است. اما برای فرآیندهایی که نیاز به دمای کمتر از ۷۷ کلوین ندارند، نیتروژن مایع (Liquid Nitrogen) بهترین گزینه محسوب میشود.
نیتروژن مایع ارزان، بیاثر و در دسترس است. این گاز در صنایع غذایی (انجماد سریع)، بیولوژی (نگهداری سلولها)، الکترونیک (خنکسازی قطعات حساس) و حتی در برخی آزمایشهای کرایوجنیک جایگزین هلیوم شده است. تنها محدودیت آن، دمای جوش بالاتر نسبت به Helium است، بنابراین برای ابررساناهای دمای پایین یا تحقیقات کوانتومی کافی نیست.
آرگون؛ جایگزینی پایدار در جوشکاری
در جوشکاری قوسی، Helium موجب افزایش نفوذ قوس و کیفیت جوش در فلزات سبک مانند آلومینیوم و تیتانیوم میشود. اما هزینه بالا و دسترسی محدود آن، صنایع را به سمت آرگون (Argon) سوق داده است.
آرگون نیز گازی نجیب و بیاثر است که با هزینه بسیار کمتر تأمین میشود. در بسیاری از کاربردها، بهویژه جوشکاری فولاد و آلیاژهای سنگین، حتی عملکردی بهتر از هلیوم دارد. در مواردی که نیاز به حرارت نفوذی بیشتر باشد، از مخلوطهای آرگون–هلیوم یا آرگون–هیدروژن استفاده میشود.
بهاینترتیب، در صنایع فلزی و خودروسازی، آرگون بهعنوان بهترین جایگزین صنعتی Helium شناخته میشود و مصرف آن بهصورت گسترده جایگزین هلیوم شده است.
هیدروژن؛ جایگزینی پرقدرت اما پرریسک در بالنها
یکی از کاربردهای قدیمی هلیوم، پر کردن بالنها و کشتیهای هوایی است. دلیل انتخاب آن، بیخطر بودن و غیرقابل اشتعال بودنش است. اما از نظر فنی، هیدروژن (H₂) گاز سبکتر و دارای نیروی شناوری بیشتر از Helium است.
در پروژههای علمی و بالونهای تحقیقاتی که ایمنی انسانی مطرح نیست، هیدروژن میتواند جایگزینی مؤثر و بسیار اقتصادی باشد. بسیاری از کشورهای در حال توسعه از هیدروژن برای بالنهای هواشناسی استفاده میکنند.
با این حال، به دلیل ریسک بالای انفجار و اشتعالپذیری بالا، استفاده از آن در بالنهای سرنشیندار یا محیطهای شهری توصیه نمیشود. در نتیجه، هرچند هیدروژن از نظر فیزیکی جایگزین خوبی است، اما از نظر ایمنی، تنها در محیطهای کنترلشده قابل استفاده است.
بازیافت هلیوم؛ راهکار کلیدی به جای جایگزینی
Helium بهدلیل اتم کوچک و نفوذ بالا، در تست نشتی سیستمهای فشارقوی و صنایع حساس کاربرد دارد. اما به علت هزینه زیاد، امروزه استفاده از مخلوط نیتروژن و هیدروژن (۵٪ H₂ در N₂) افزایش یافته است. این مخلوط که با نام Forming Gas شناخته میشود، از نظر ایمنی در محدوده غیرقابل اشتعال قرار دارد و بهراحتی توسط آشکارسازهای حرارتی شناسایی میشود.
این روش نهتنها ارزانتر است بلکه با حفظ دقت، مصرف هلیوم را کاملاً حذف میکند. به همین دلیل در کارخانههای تولید قطعات خودرو، سیستمهای تهویه و خطوط گاز تحت فشار، بهعنوان جایگزین استاندارد هلیوم پذیرفته شده است.
خطرات نشت نیتروژن در کارخانه
در سالهای اخیر، به جای جستجوی گاز جایگزین، تمرکز بسیاری از صنایع پیشرفته بر بازیافت Helium مصرفی قرار گرفته است. دستگاههای MRI، آزمایشگاههای NMR و مراکز کرایوجنیک، سیستمهای بستهای را به کار گرفتهاند که گاز هلیوم خروجی را جمعآوری، فشردهسازی و پس از خالصسازی مجدد استفاده میکنند.
فرآیند بازیافت شامل مراحل زیر است:
جمعآوری Helium تبخیر شده از تجهیزات.
فشردهسازی و ذخیره در سیلندر.
عبور از فیلترها و خشککنها برای حذف رطوبت و ناخالصی.
بازگرداندن گاز خالص به سیستم اصلی.
با استفاده از این روش، میزان اتلاف Helium در مراکز بزرگ تا ۹۰٪ کاهش یافته است. در نتیجه، بازیافت نهتنها از نظر اقتصادی مقرونبهصرفه است، بلکه از دید زیستمحیطی نیز اهمیت بالایی دارد.
گازهای ترکیبی؛ راهکار میانمدت برای کاهش وابستگی
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، به جای حذف کامل هلیوم، از مخلوطهای گازی چندجزئی استفاده میشود تا بخشی از عملکرد آن با گازهای ارزانتر جایگزین شود. این رویکرد باعث کاهش مصرف و حفظ عملکرد فنی میگردد.
نمونههایی از مخلوطهای جایگزین عبارتاند از:
Ar + He: در جوشکاری فلزات سبک.
N₂ + He: در فرآیندهای خنکسازی نیمههادیها.
H₂ + He: در خنکسازی سریع آزمایشگاهی.
Ar + CO₂ + He: در فرآیندهای MIG صنعتی.
بهکارگیری این ترکیبات، ضمن کاهش مصرف Helium ، ویژگیهای مورد نیاز مانند رسانایی، پایداری قوس یا سرعت سرمایش را حفظ میکند.
بدون دیدگاه