Na instalação de ressonância magnética nuclear da Universidade Estadual do Mississippi, três poderosos ímãs permitem a visualização de como os átomos formam ligações. Os químicos do local usam a tecnologia para projetar novos polímeros e estudar como as bactérias se ligam às superfícies. Para que tudo isso funcione, eles precisam de um elemento que é comumente encontrado em supermercados, mas que também está sempre em falta: o hélio.
A cada 12 semanas, a universidade paga de US$ 5.000 a US$ 6.000 para reabastecer o hélio líquido necessário para resfriar o fio supercondutor enrolado dentro dos ímãs até -452 °F (-269 °C).
“Essa é, de longe, a maior despesa que temos”, diz Nicholas Fitzkee, diretor da instalação. “O preço que impulsiona nossas taxas de usuário é a compra de hélio líquido, e isso praticamente dobrou no último ano.”
O hélio é excelente na condução de calor. E em temperaturas próximas ao zero absoluto, nas quais a maioria dos outros materiais congelaria, o hélio permanece líquido. Isso o torna um refrigerante perfeito para qualquer coisa que precise ser mantida muito fria.
O hélio líquido é, portanto, essencial para qualquer tecnologia que utilize ímãs supercondutores, incluindo scanners de ressonância magnética (MRI) e alguns reatores de fusão. O hélio também resfria aceleradores de partículas, computadores quânticos e os detectores de infravermelho do Telescópio Espacial James Webb. Como gás, o hélio afasta o calor do silício para evitar danos nas fábricas de semicondutores.
“É um elemento essencial para o futuro”, diz Richard Clarke, consultor de recursos de hélio baseado no Reino Unido e coeditor de um livro sobre o elemento. De fato, a União Europeia inclui o hélio em sua lista de matérias-primas essenciais para 2023, e o Canadá também o incluiu em uma lista de minerais essenciais.
Repetidamente, ao longo da história do desenvolvimento tecnológico, o hélio tem desempenhado um papel fundamental, embora permaneça em oferta restrita. Como parte da série do 125º aniversário da MIT Technology Review, fizemos uma retrospectiva de nossa cobertura de como o hélio se tornou um recurso tão importante e analisamos como a demanda pode mudar no futuro.
Em alguns casos, os países tomaram medidas extremas para garantir um suprimento estável de hélio. Em nossa edição de junho de 1975, que se concentrou em materiais críticos, um engenheiro da Westinghouse chamado H. Richard Howland escreveu sobre um programa controverso dos EUA que armazenou hélio por décadas.
Ainda hoje, nem sempre é fácil obter hélio. O suprimento mundial depende principalmente de apenas três países — EUA, Qatar e Argélia — e de menos de 15 empresas em todo o mundo.
Com tão poucas fontes, o mercado de hélio é particularmente sensível a interrupções — se uma fábrica ficar fora de operação ou se houver uma guerra, o elemento pode ficar subitamente em falta. E, como observou Fitzkee, o preço do hélio subiu rapidamente nos últimos anos, colocando hospitais e grupos de pesquisa em apuros.
O mercado global de hélio passou por quatro períodos de escassez desde 2006, diz Phil Kornbluth, consultor especializado. E o preço do hélio quase dobrou desde 2020, passando de US$ 7,57 por metro cúbico para uma alta histórica de US$ 14 em 2023, de acordo com o United States Geological Survey.
Alguns laboratórios de pesquisa, inclusive o de Fitzkee, estão agora instalando sistemas de reciclagem de hélio, e os fabricantes de ressonância magnética estão produzindo scanners de última geração que exigem menos hélio. Mas muitos dos setores de mais alta tecnologia do mundo – incluindo computação e aeroespacial – provavelmente precisarão de ainda mais hélio no futuro.
“No final das contas, o que está acontecendo é que o hélio está ficando mais caro”, diz Ankesh Siddhantakar, estudante de doutorado em gestão de sustentabilidade na Universidade de Waterloo, no Canadá. “A era do hélio barato provavelmente já passou.”
Uma necessidade de alta tecnologia
O hélio é o segundo elemento da tabela periódica, o que, como você deve se lembrar das aulas de química do ensino médio, significa que ele tem apenas dois prótons (e, portanto, dois elétrons).
Graças à sua estrutura simples, os átomos de hélio são alguns dos menores e mais leves, perdendo apenas para o hidrogênio. Eles são extremamente estáveis e não reagem facilmente com outros materiais, o que os torna fáceis de incorporar em processos industriais ou químicos.
Um dos principais usos do hélio líquido ao longo dos anos tem sido o resfriamento dos ímãs dentro dos scanners de ressonância magnética, que ajudam os médicos a examinar órgãos, músculos e vasos sanguíneos. Mas o custo do hélio aumentou tanto e o fornecimento é tão volátil que os hospitais estão ansiosos por outras opções.
Os fabricantes de ressonância magnética, incluindo a Philips e a GE HealthCare, agora vendem scanners que exigem muito menos hélio do que as gerações anteriores. Isso deve ajudar, embora sejam necessários anos para atualizar os cerca de 50 mil scanners de ressonância magnética já instalados atualmente.
Outros setores também estão encontrando maneiras de contornar o hélio. Os soldadores substituíram o argônio ou o hidrogênio em alguns trabalhos, enquanto os químicos mudaram para o hidrogênio na cromatografia gasosa, um processo que permite separar misturas.
Mas não há uma boa alternativa ao hélio para a maioria das aplicações, e o elemento é muito mais difícil de reciclar quando é usado como gás. Nas fábricas de semicondutores, por exemplo, o gás hélio remove o calor ao redor do silício para evitar danos e o protege de reações indesejadas.
Com o aumento da demanda por computação, impulsionada em parte pela Inteligência Artificial, os EUA estão investindo pesadamente na construção de novas fábricas, o que provavelmente aumentará a demanda por hélio. Kornbluth diz que “não há dúvida de que a fabricação de chips será a maior aplicação nos próximos anos, se é que já não é.”
De modo geral, diz Kornbluth, o setor de hélio espera ver um crescimento de apenas um dígito nos próximos anos.
Olhando para o futuro, Clarke prevê que a maioria dos setores acabará eliminando os usos não essenciais do hélio. Em vez disso, eles o usarão principalmente para resfriamento criogênico ou nos casos em que não houver alternativa. Isso inclui computadores quânticos, foguetes, cabos de fibra óptica, fábricas de semicondutores, aceleradores de partículas e alguns reatores de fusão.
“É algo que, por uma questão de custo, todas essas novas tecnologias precisam levar em conta”, diz Clarke.
Devido à sua importância para tantos setores, Siddhantakar acredita que o hélio deveria ser uma prioridade maior para aqueles que estão pensando em gerenciar recursos estratégicos. Em uma análise recente, ele descobriu que as cadeias de suprimentos globais de hélio, lítio e magnésio enfrentam riscos semelhantes.
“Ele é um facilitador essencial para aplicações críticas, e essa é uma das partes que, na minha opinião, precisa ser mais compreendida e valorizada”, diz Siddhantakar.
Um equilíbrio delicado
O hélio que usamos hoje se formou a partir da decomposição de materiais radioativos há milhões de anos e, desde então, está preso em rochas abaixo da superfície da Terra.
O hélio é normalmente extraído desses reservatórios subterrâneos junto com o gás natural, como John Mattill explicou em um artigo de nossa edição de janeiro de 1986: “O hélio pode ser prontamente separado do gás antes da combustão, mas quanto menor a concentração de hélio, maior o custo de fazê-lo.”
De modo geral, as concentrações de hélio devem ser de pelo menos 0,3% para que as empresas de gás se preocupem com ele. Esses níveis podem ser encontrados em apenas alguns países, incluindo os EUA, a Argélia, o Canadá e a África do Sul. O Catar tem concentrações mais baixas, mas produz gás natural suficiente para justificar a recuperação de hélio nesses níveis mais baixos.
Portanto, a escassez de hélio não é causada pela falta do elemento, mas pela incapacidade dos produtores desses poucos países de entregá-lo aos clientes de todos os lugares em tempo hábil. Isso pode acontecer por vários motivos.
“É um negócio muito global e sempre que ocorre uma guerra em algum lugar, ou algo do gênero, isso tende a afetar o negócio do hélio”, diz Kornbluth.
Outro desafio é que os átomos de hélio são tão leves que a gravidade da Terra não consegue segurá-los. Eles tendem a simplesmente, bem, flutuar, mesmo escapando de tanques especialmente projetados. Até 50% do hélio que extraímos é perdido antes de poder ser usado, de acordo com uma nova análise apresentada por Siddhantakar em fevereiro na International Round Table on Materials Criticality.
Diante de tudo isso, os países que precisam de muito hélio – Canadá, China, Brasil, Alemanha, França, Japão, México, Coreia do Sul e Reino Unido estão entre os principais importadores — precisam trabalhar constantemente para garantir um suprimento confiável. Os EUA são um dos maiores consumidores de hélio, mas também são os principais produtores.
Durante décadas, o mercado global de hélio esteve intimamente ligado ao governo dos EUA, que começou a estocar hélio no Texas em 1961 para fins militares. Como Howland escreveu em 1975, “a justificativa original do programa federal de conservação de hélio era armazenar hélio até um momento posterior, quando ele seria mais essencial e menos disponível”.
Mas os EUA venderam lentamente grande parte de seu estoque e agora estão leiloando o restante, com uma venda final pendente nos próximos meses. As consequências ainda não estão claras, embora pareça provável que agências como a NASA tenham que pagar mais pelo hélio no futuro. Como Christopher Thomas Freeburn escreveu em um artigo de 1997 intitulado “Save the Helium” (Salve o hélio), “ao eliminar a reserva, o governo federal (…) se colocou à mercê do mercado”.
Os clientes de todo o mundo ainda dependem, de forma esmagadora, dos EUA e do Catar, que juntos produzem mais de 75% de todo o hélio utilizado no mundo. Mas os EUA produziram e exportaram muito menos na última década, enquanto a demanda dos consumidores americanos aumentou em 40%, de acordo com Robert Goodin, do USGS.
Ansiosos para preencher essa lacuna, novos países estão começando a produzir hélio, e uma enxurrada de empresas está explorando projetos potenciais em todo o mundo. Quatro fábricas de hélio foram inauguradas no ano passado no Canadá e uma começou a funcionar na África do Sul.
A Rússia está prestes a abrir uma nova e enorme fábrica que em breve fornecerá hélio para a China, ultrapassando assim a Argélia como o terceiro maior produtor mundial.
“A Rússia se tornará o terceiro maior produtor já em 2025 e acabará respondendo por um quarto do fornecimento mundial nos próximos cinco anos”, diz Kornbluth.
A Qatargas, no Qatar, está abrindo uma quarta fábrica, que, juntamente com a nova instalação da Rússia, deve expandir o fornecimento global de hélio em cerca de 50% nos próximos anos, acrescenta ele.
Algumas empresas estão agora considerando locais onde poderiam extrair hélio sem tratá-lo como um subproduto do gás natural. A Helium One está explorando várias dessas fontes na Tanzânia.
Será suficiente?
Em 1975, Howland descreveu o mercado de hélio como “um exemplo de falsos começos, ineficiências e armadilhas econômicas que devemos evitar para preservar sabiamente nossos recursos esgotáveis”.
Ele também previu que os EUA usariam grande parte de suas reservas conhecidas de hélio até a virada do século. Mas os EUA ainda têm hélio suficiente nos reservatórios de gás natural para durar mais 150 anos, de acordo com uma análise recente do USGS.
“Como em muitas outras coisas, a questão será o gerenciamento sustentável desse recurso”, diz Siddhantakar.
MIT Technology Review
