¿Como se fabrica el helio?

Del núcleo de las estrellas a los cilindros de acero: todo el proceso del helio explicado paso a paso

En la práctica industrial, el helio se obtiene como subproducto del procesamiento del gas natural, casi siempre asociado a corrientes de nitrógeno, porque ambos comparten el mismo vehículo de migración y las mismas condiciones de trampa. La extracción comienza con equipos de perforación que alcanzan pozos muy profundos en la corteza terrestre, atravesando la capa denominada Cap Rock para llegar a la reserva de gas. Una vez localizada, la mezcla de gas natural y helio crudo asciende y se conduce mediante sistemas de tuberías hasta una planta de refinado.

La concentración de helio en los yacimientos suele ser de apenas el 0,3 % al 7 %. En Estados Unidos se clasifican como campos ricos en helio aquellos con contenidos superiores al 0,3 %, si bien la mayoría de las operaciones extrae de reservorios con menos del 1,5 %. Es decir, se está procesando una enorme cantidad de gas natural para obtener una fracción minúscula de helio, y eso es exactamente lo que encarece y complica todo el proceso.

El primer paso del proceso de separación es el fraccionamiento del gas natural, una mezcla de hidrocarburos compuesta principalmente por metano, etano, propano y butano. Manipulando presión y temperatura se eliminan primero los hidrocarburos más pesados, dejando una corriente concentrada de gas pobre que reduce drásticamente el volumen de material a procesar. Antes del criogénico se filtran impurezas como agua, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. En la mayoría de los yacimientos comerciales la separación del helio se ejecuta dentro de la unidad de rechazo de nitrógeno de la planta de gas, y también se recupera a partir del gas de evaporación de terminales de licuefacción de gas natural (GNL), una corriente que antes se reprocesaba o quemaba.

La etapa central es la destilación criogénica, que aprovecha que cada elemento tiene un punto de ebullición único y que el helio posee el más bajo de toda la materia conocida. A presión atmosférica, el helio-4 licúa a 4,22 K (−268,93 °C) y ni siquiera solidifica cerca del cero absoluto, necesitando unos 25 bar para alcanzar la fase sólida. Durante la destilación, la mezcla gaseosa se enfría a temperaturas tan bajas que el nitrógeno y el metano se licuan o congelan formando un aguanieve, mientras el helio permanece en estado gaseoso. El vapor de helio se captura y absorbe dejando atrás las impurezas. El helio bruto resultante tiene una pureza de entre el 50 % y el 70 %, con pequeñas cantidades de argón, neón, nitrógeno, hidrógeno y metano.

El helio crudo se somete entonces a un proceso de lavado o scrubbing para eliminar los gases restantes. Las unidades de separación criogénica comprimen el helio crudo y enfrían los gases a temperaturas bajo cero hasta licuarlos; una vez licuados, el nitrógeno y el metano se drenan. A continuación se añaden calor y oxígeno para eliminar el hidrógeno residual: cuando las moléculas de hidrógeno y oxígeno se encuentran forman agua, y la mezcla se somete a un enfriamiento adicional en el que el hidrógeno y el oxígeno se drenan. Tras estos pasos se incorporan partículas finas para completar una purificación adicional hasta alcanzar una pureza del 99,99 %.

Para lograr la pureza de «cinco nueves» (99,999 %) que exigen los equipos de resonancia magnética y la fabricación de semiconductores se emplea la adsorción por cambio de presión (PSA). Utiliza un tamiz molecular con poros que actúa como filtro selectivo: los diminutos átomos de helio, con un diámetro cinético de unos 2,6 Å, atraviesan el lecho con facilidad, mientras moléculas más grandes como el nitrógeno o el argón quedan atrapadas en el material adsorbente. El flujo de trabajo comprende la compresión del gas a alta presión a través del lecho, el atrapamiento selectivo de las impurezas, la despresurización para liberarlas y regenerar el lecho, y un pulido final con filtros especializados.

Como alternativas y complementos se emplean la absorción (que usa enlaces químicos en lugar de fuerzas físicas), la filtración por membranas de polímeros de alta densidad y la permeación en varias etapas, que produce un gas enriquecido al 50-90 % de helio antes de comprimir y enfriar para licuar y separar los demás gases.

La recuperación del helio es energéticamente muy dependiente de la concentración de la corriente de alimentación. Los costes de procesos convencionales se estiman en unos 18 kWh por metro cúbico con una alimentación al 0,35 % de helio, unos 100 kWh/m³ al 0,05 % y unos 250 kWh/m³ al 0,02 %, una curva fuertemente no lineal. Existe no obstante una paradoja de escala: cuando el volumen de gas procesado es suficientemente grande, concentraciones muy inferiores al umbral se vuelven rentables, porque la inversión en la unidad de recuperación se amortiza contra un flujo ya existente. Por eso la licuefacción de gas natural a gran escala es viable con concentraciones de apenas 0,04 %.

Una vez purificado, el helio debe comprimirse y envasarse. En pequeñas cantidades se transporta como gas comprimido en pesados cilindros de acero; en cantidades mayores se transporta en estado líquido en contenedores fuertemente aislados, lo que reduce los costes de transporte, aprovechando que el helio es el único fluido capaz de operar como refrigerante en el rango de los kelvin. Los tanques se eligen según la aplicación (industrial, médica o de investigación), se llenan con gas inerte antes de cargarlos en los camiones para evitar escapes a la atmósfera, y se inspeccionan periódicamente buscando fugas, corrosión o daños.

Conviene recordar que el helio liberado a la atmósfera es más ligero que los demás gases, alcanza velocidades de escape en la exosfera y abandona el planeta de forma irreversible. Su concentración atmosférica es de apenas 5,2 ppm (0,0005 %), por lo que consumirlo es perderlo definitivamente. Lo que hace del helio un recurso no renovable a escala humana cuya fabricación depende por completo de la minería de un gas que la Tierra tardó cientos de millones de años en generar. La producción mundial está concentrada en un número reducido de complejos de procesamiento de gran escala, de modo que si uno detiene su producción de GNL, su helio desaparece del mercado de forma inmediata: no hay elasticidad de oferta porque el helio no puede producirse sin producir gas.