Table of Contents
الطلب المتزايد على مضيق الهيليوم والإمدادات
والهيليوم هو أحد أكثر العناصر انتشاراً ولا يمكن استبداله في الصناعة الحديثة، حيث إن خصائصه الفريدة - وهي نسبة منخفضة جداً من حيث الغليان، وعدم التعرض للكيماويات، وارتفاع القدرة على السلوك الحراري - مما يجعله لا غنى عنه لتطبيقات تتراوح من التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي وصناعة النسيج شبه الموصل إلى الدفع في الفضاء الجوي وغطاء البحر العميق، وقد بلغت قيمة سوق الهيليوم العالمي أكثر من 8 بلايين دولار سنوياً.
ومن الناحية التاريخية، فإن جميع الصناعات المنتجة تجارياً تقريباً هي منتج ثانوي لتجهيز الغاز الطبيعي من حفنة من الميادين الكبيرة، الولايات المتحدة (ولا سيما في منطقة هوغوتون - بانهادل في تكساس وأوكلاهوما وكانساس)، وقطر، والجزائر معاً، تمثل أكثر من 80 في المائة من الإمدادات العالمية، وهذه المصادر محدودة من الناحية الجيولوجية وخاضعة لخطر جغرافي - سياسي، ومؤخرة الصيانة، وانخفاض الإنتاجية تدريجياً.
وقد أدى تزايد الطلب على المواد التقليدية وقيدها إلى إثارة اهتمام شديد بتطوير مصادر الهيليوم غير التقليدية ، وهي تشمل الهواء الجوي الجوي، والشلالات الغنية بالهيليوم، وتكوينات الصخور الضيقة، بل وحتى الرخويات العميقة من نظم الحرارة الأرضية، وكل منها يمثل مجموعة متميزة من التحديات التقنية والاقتصادية واللوجستية، ولكنه يفتح أيضا فرصا أكثر مرونة للإمدادات.
فهم مصادر الهيليوم غير التقليدية
هيليوم الغلاف الجوي
الغلاف الجوي للأرض يحتوي على حوالي 5.2 جزء من الهيليوم من خلال تركيزات النيتروجين المميتة على ما يبدو، والتي تمثل مع ذلك كتلة كبيرة من الفلك (حوالي 3.6 مليون طن متري)
اليوم، إن التقدم في التحلل التراكمي و] فصل الدم في الهواء قد عاد إلى الاهتمام، إذ أن عدة محطات تجريبية وتصميمات تجارية تهدف الآن إلى ضبط الهيليوم كمنتج مشترك لوحدات فصل جوي كبيرة تنتج النيتروجين والأكسجين.
Helium-Rich Shale and Basement Formations
وعلى عكس الهيلومات في الغلاف الجوي، التي هي منتشرة، فإن بعض الأحواض الرسوبية والصخور الدوارة تحتوي على تركيزات هيليومية تصل إلى 5-10 في المائة أو أكثر، وكثيرا ما تحدث هذه التراكمات في الصخور البروتروزية القديمة حيث ينتج اليورانيوم والثوريوم هيليوم الذي ينتقل إلى خزانات مخرفة ويصبح محصورا.
إن استخراج الهيليوم من هذه البيئات الجيولوجية غير التقليدية يطرح تحديات مماثلة لتحديات الغاز الشايل والزيت الضيق: انخفاض القابلية للذوبان، والمستودعات المتجانسة، والحاجة إلى الحفر الأفقي والكسر الهيدروليكي، وخلافاً للهيلوم الطبيعي التقليدي الذي غالباً ما يكون مُنتجاً بميثان في تركيزات تتراوح بين 0.3 و2 في المائة،
التحديات الرئيسية في استخراج الهليوم من المصادر غير التقليدية
التركيز المنخفض و كثافة الطاقة
أما الحاجز الأساسي فهو تآكل الهيليوم في الغلاف الجوي والعديد من المصادر الجيولوجية، ففيما يتعلق بالهواء، وحتى مع أحدث تكنولوجيا التبريد والكمبرانية، فإن الطاقة اللازمة لتركيز الهيليوم من ٥ ملليمتر إلى ٩٩,٩٩ في المائة من النقاء هي أوامر تزيد من الحجم المطلوب لتجهيز الغاز الطبيعي التقليدي، وتشير التقديرات الحالية إلى أن تكلفة إنتاج الهيليوم في الغلاف الجوي تبلغ ٢٠٠ ٨ دولار على الأقل.
وبالنسبة لهيلات الشل والطابق السفلي، فإن التحدي يتناقض في كثير من الأحيان: قد يحتوي تدفق الغاز على تركيزات عالية من الهيليوم ولكن بأسعار منخفضة جداً، كما أن البئر الذي ينتج بضعة آلاف قدم مكعب يومياً، حتى بخمسة آلاف من الهيليوم، لا يمكنه دعم مصنع تنقية مخصص إلا إذا تم تجميعه مع آبار أخرى، علاوة على أن الخزانات كثيراً ما تكون عميقة (نحو 000 3 متر) ومتطورة، ومتطورة، ومتطورة، ومتطورة، ومعقدة، ومتطورة، ومعقدة، ومتطورة، ومعقدة، ومعقدة.
البنية التحتية ومتطلبات رأس المال
وتحتاج جميع الهياكل الأساسية الحالية لتجهيز الهيليوم - البروبا، والنباتات الميكانيكية، وكهوف التخزين، ومحطات لملء الحاويات التابعة للمنظمة الدولية لتوحيد المقاييس - النفايات المصممة حول حقول الغاز الطبيعي التقليدية التي تنتج كميات كبيرة من الميثان إلى جانب الهيليوم.
وبالمثل، تحتاج مشاريع سد الشاليوم إلى خطوط أنابيب مخصصة لجمع الغازات، ووحدات لمعالجة الغاز (فصل الأعشاب، أو الاستيعاب المؤقت للضغط، أو التفكك الخفي)، وضغط للنقل، وتحتاج المواقع النائية للعديد من المناطق الغنية بالهيليوم - بعيدا عن شبكات خطوط الأنابيب الحالية - تكاليف لوجستية مضافة، وعلى سبيل المثال، فإن الاكتشافات التنزانية في وادي ريفت حيث يتطلب الوصول إلى الطرق، وتوافر رؤوس الأموال، والإطار الزمني الماهر من العمل تطويرا.
العقبات التقنية في الجيولوجيا غير التقليدية
إن الخزانات السائلة والخامسة تمثل عقبات تقنية فريدة، فالهيلوم غالباً ما يُحْصَر في مسامير ناو-وشبكات الكسور التي لا ترتبط ارتباطاً وثيقاً، وتتناقص الإنتاجية بسرعة إذا لم يكن الحفز متفشياً، بالإضافة إلى أن الغازات المرتبطة بها - النيتروجين، والهيدروجين، وثاني أكسيد الكربون، وأحياناً ما يكون تآكل النيتروجين صعباً
وعلاوة على ذلك، كثيرا ما يكون فهم جيولوجيا المناطق الغنية بالهيليوم ضعيفا بالمقارنة بأحواض النفط التقليدية، وقد تم تكييف الدراسات الاستقصائية التقليدية لأدوات الاستكشاف - السيزمية، والمغناطيسية - التي كانت أقل فعالية في تحديد تراكمات الهيليوم، التي لا تتزامن في كثير من الأحيان مباشرة مع الهيدروكربونات، ونتيجة لذلك، فإن احتمال التنقيب أعلى وإمكانية أعلى للثغرات الجافة.
الفرص والتحسينات
الهليوم الجوي: الأبوة والاستدامة
ورغم التحديات في مجال التكلفة، فإن استخراج الهيليوم في الغلاف الجوي يعرض غير المتوافق مع أمن الموارد ، وإن كان هذا الاختلال متأثراً بالهيكل الجغرافي السياسي، أو النضوب، أو عدم اليقين الجيولوجي.
ويتواصل التحسن في التفكك الرئوي من خلال اعتماد تصميمات متقدمة لدورة مثل دورة كولينز ] مع تربينات توسع متعددة - تقلل من قدرة التبريد بنسبة تصل إلى 30 في المائة، وعندما تدمج مع وحدة كبيرة لفصل الهواء تزود أساساً بالنيتروجين والأكسجين، تصبح التكلفة الإضافية لشركات التصاميم الصناعية أقل بكثير.
كما أن إنتاج الهيليوم التقليدي من الغاز الطبيعي غير قابل للتجديد في جوهره؛ وعندما يستنفد حقل الغاز، يختفي الهيليوم، ويمكن لاستخراج الغلاف الجوي، إذا ما قوّدته الكهرباء المنخفضة الكربون (المتجددة أو النووية)، أن يُقدّم حقاً ] إمدادات هيليوم قابلة للاستدامة مع حد أدنى من البصمات البيئية.
Helium-Rich Shale: New Resource Plays
وقد أدى اكتشاف تركيزات الهيليوم الاقتصادي في أحواض الشق التنزاني إلى تحفيز الاستكشاف العالمي. Helium One]، وهي شركة متداولة علنا، إلى وجود احتياطيات ثابتة تتجاوز 40 بليون قدم مكعب في مشروعها الخاص بمنطقة روكوا مع تركيزات في الموقع تصل إلى 10.5 في المائة، وهذا يعادل عدة سنوات من إجمالي الطلب على اليورانيوم الناشئ.
(أ) الابتكارات التكنولوجية في [(FLT:0]) الإقلاع والانتهاء ستكون حاسمة لفتح هذه الموارد، حيث تم تكييف التمارين الناقصة، ومسح الفحم، وكسر الهيدروليك المتعدد المراحل من الغاز الشالي لمعالجة المستودعات المنخفضة الضغط، ونسبة مئوية من الفلور، مع إجراء اختبارات على السائل المائي [2].
الابتكار التكنولوجي الذي يخفض التكاليف
A[RI of emerging technologies promises to bridge the cost gap between conventional and unconventional helium. Metal-organic frameworks (MOFFFFI)[FLogens with pore sizes and chemical functions that strongly favor helium over larger molecules like nitrogen and methane. A 2023 study in
وفيما بعد الفصل، فإن machine learning تتسارع الاستكشاف، وقد تم تاريخياً إجراء دراسات استقصائية جيولوجية للمناطق الغنية بالهيليوم، ولكن نماذج آي مدربة على بيانات عن الهندسة الجيولوجية الكيميائية والجيوفيزيائية والاستشعار عن بعد يمكن أن تحدد الآن أهدافاً للحفر عالية الاحتمال، وعلى سبيل المثال، استخدمت الخيوط في رسم خرائط لتصل إلى 30 في المائة من الهليوما.
الاعتبارات الاقتصادية والبيئية
القدرة التنافسية للتكاليف وديناميات السوق
وتتوقف القدرة الاقتصادية لاستخراج الهيليوم غير المتجانس على متغيرين رئيسيين: سعر الهيليوم وتكاليف الاستخراج، وقد ارتفعت أسعار الهيليوم الطويلة الأجل، من حوالي ١٠٠ دولار لكل مكف في أوائل العقد الى ٦٠٠ دولار لكل مكيف في العقود الأخيرة، وقد تجاوزت أسعار السائل خلال النقص ٥٠٠ ١ دولار لكل مكفوف.
ويمكن أيضاً أن تُبرز أرصدة المنتجات المشتركة الجداول، كما أن مجرى الهيليوم بنسبة 7 في المائة الذي يحتوي أيضاً على 10 في المائة من الهيدروجين، عندما يباع كوقود نظيف، يمكن أن يقلل من التكلفة الفعلية لاستخراج الهيليوم بنسبة 40 في المائة أو أكثر، وبالمثل، يوفر النيتروجين والأوكسجين من محطات الفصل الجوي تدفقاً من إيرادات أساسية تدعم عمليات التلقيح بالهيليوم.
الأثر البيئي والاستدامة
واستخراج الكبريت في الغلاف الجوي، إذا ما قورن بالوقود الأحفوري، من شأنه أن يولد انبعاثات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون لكل وحدة من الهيليوم بسبب الاحتياجات الكبيرة من الطاقة، وقد يؤدي تحليل دورة الحياة من مختبر الطاقة المتجددة الوطني إلى انخفاض متوسط البصمة الكربونية للهيلوم الجوي بنسبة تتراوح بين ٥ و٨ مرات عن كمية الطاقة التقليدية في كل مكف، مع افتراض متوسط شبكات الكهرباء.
ويتحمل استخراج الهيليوم أعباء بيئية خاصة به، ويستهلك الكسور الهيدروليكي كميات كبيرة من المياه (من 2 إلى 5 ملايين غالون في كل بئر)، ويعرض مخاطر تلوث المياه الجوفية إذا لم تدار على النحو المناسب، وينتج مياهاً منسياً يجب معالجتها أو إعادة حقنها، وفي مناطق حرارة المياه مثل حوض باراديسيوم القاحل، فإن مصادر المياه تشكل عقبة كبيرة.
الآثار الاستراتيجية لأمن الإمدادات
وقد صنفت وزارة الداخلية في الولايات المتحدة الهيليوم على أنه معدن حرج ] بسبب دورها الأساسي في الأمن الوطني وصنع التكنولوجيا العالية، والولايات المتحدة هي أكبر مستهلك للهيليوم، ولكنها تستورد حوالي 30 في المائة من إمداداته، وتطوير مصادر محلية غير تقليدية - صدمات في الغلاف الجوي، وإمدادات من الكائنات الحية.
The Path Forward: Research, Investment, and Policy
المبادرات الحكومية والخاصة
In-Fogens Office of Energy of Fossil Energy and Carbon Management has co-funded projects to extract helium from air and coal seam gas. The Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) launched a program called "HelioPowder" in 2023 to develop advanced sorbents for low-energy helium separation. On the privateFali
الحواجز التنظيمية والأسواق
فتخطي العقبات التنظيمية سيكون مهماً مثل حل العقبات التقنية، إذ إن سوق الهيليوم هي عقود طويلة الأجل بين المنتجين الكبار (المنتجات الخارجية، والمنتجات الجوية، والليند) والموزعين هي التي تهيمن عليها، كما أن الأسعار الثابتة متقلبة، إذ يجب على الوافدين الجدد غير المتجانسين أن يضمنوا اتفاقات الاستيلاء على السفن أو أن يبنوا شبكات التوزيع الخاصة بهم، التي هي كثيفة رأس المال.
التوقعات المستقبلية
ومن المرجح أن تؤدي مصادر الهيليوم غير التقليدية دوراً متزايداً، إذ أن مشروعات المسح الجيولوجي في الولايات المتحدة التي يمكن أن تؤدي بحلول عام 2035 مصادر غير تقليدية (بما في ذلك في الغلاف الجوي والشلال) إلى زيادة نسبة 10 إلى 20 في المائة من الطلب العالمي على الهيليوم، وذلك من أقل من 1 في المائة اليوم، وقد أدى الإنتاج الأولي من وحدات الترميز العالية في الترسب والتراكمات في قاعدية إلى الانتشار التدريجي في تنزانيا، وكندا.
وفي موازاة ذلك، قد تكتسب حركة حفظ الهيليوم زخماً، إذ أن إعادة تدوير الهيليوم من نظم الرنين المغناطيسي، وشبه الموصلات، ومختبرات البحوث تسترد بالفعل نحو 15 في المائة من الهيليوم المستخدم في البلدان المتقدمة النمو، ومن شأن تحسين معدلات إعادة التدوير إلى 40 في المائة، عن طريق تحسين تكنولوجيات التقاط الهيل وتنقية أن يقلل من نمو الطلب ويخفف الضغط على العرض، بل وحتى مع إعادة التدوير العدوانية، فإن مسار الطلب الأساسي يعني مصادر جديدة أساسية.
إن تحديات استخراج الهيليوم من مصادر غير تقليدية هي تركيزات حقيقية وهامة، واحتياجات عالية من الطاقة، والهياكل الأساسية غير المميزة، والجيولوجيا غير المؤكدة، ومع ذلك فإن الفرص كبيرة أيضا: فوجود خزان في الغلاف الجوي القريب، ومسرحيات جغرافية جديدة ذات درجات استثنائية، وسلسلة من التقدم التكنولوجي التي تعد بتحقيق الكفاءة والفعالية من حيث التكلفة، وتضافر الطلب على السوق، والضرورة الاستراتيجية، والابتكار، وعقد من الزمن.