AZ AMERIKAI FIZIKAI TÁRSASÁG ÁLLÁSFOGLALÁSA A HÉLIUMKÉSZLETEK MEGŐRZÉSÉRŐL

Az Amerikai Fizikai Társaság (American Physical Society, APS) mélységesen aggódik a nemzeti kincsnek tekintett héliumtartalékok csökkentése miatt. A hélium fontos mind a korszerű technikai eljárásokhoz, mind a magas szintű tudományos kutatáshoz nélkülözhetetlen igen alacsony hőmérsékletek előállításánál. Folyamatosan nő a hélium iránti igény, és minden okunk megvan arra a feltételezésre, hogy ez az irányzat folytatódni fog.

Az Egyesült Államok abban a szerencsés helyzetben van, hogy ebből az elemből minden más országnál nagyobb készlettel rendelkezik, de természetesen ezek nem kimeríthetetlenek. A héliumot a földgázmezők termékeiből vonják ki, és ha a kivonást elmulasztják, akkor a földgáz elégetésekor a hélium eloszlik a légkörben. A szövetségi kormány -nagyon bölcsen - tervet dolgozott ki a hélium készletezésére, de félő, hogy a jelenlegi jogi helyzetben a ma még meglévő héliumkészlet húsz év alatt el fog enyészni.

A modern tudomány és technika ezen különleges és mással nem helyettesíthető természetes anyagának fontossága miatt az Amerikai Fizikai Társaság olyan rendszabályok meghozatalát sürgeti, amely nemcsak megőrzi, de növeli is a héliumkészletet. Ezen a téren a mulasztás nemcsak pazarlás, de technikai rövidlátás is lenne.

A hélium nélkülözhetetlen a mai fejlett technikai eljárások rendkívül alacsony hőmérsékleteinek előállításához. Kriogéntechnikai felhasználásra, azaz nagyon alacsony hőmérsékletek előállítására azért alkalmas, mert forráspontja alacsonyabb bármely más ismert anyagénál - a hidrogént is beleértve. 4 K hőmérsékleten forr. (A hidrogén forráspontja 20 K és 4 K-en pedig már szilárd. A többi gáz forráspontja ennél jóval magasabb, például a nitrogéné 77 K, az oxigéné 90 K). A modern technikában gyakori követelmény a szélsőségesen alacsony hőfokok elérése, ezért a hélium kriotechnikai alkalmazása állandóan nő, és jelenleg a teljes felhasználás 25 %-át éri el.

Különösen fontos, hogy a hélium az egyetlen nem szilárd kriogén anyag, amelynek segítségével elérhetők a szupravezető elektromágnesekhez szükséges alacsony hőmérsékletek. Héliummal hűtött szupravezető mágneseket használnak abban az egyre nagyobb jelentőségű orvosi diagnosztikai leképezésben, melynek neve magmágneses rezonancia. Szupravezetős mágnesek azoknak a nagyenergiájú gyorsítóknak a szabványos felszereléséhez is hozzátartoznak, amelyeket a fizikusok részecskék nagyenergiájú kutatásában használnak. A legmodernebb szállítási technikában a vasúti szerelvényt mágneses mező segítségével lebegtetik (Magnetic Levitation, MAGLEV), itt szintén szupravezetős mágneseket alkalmaznak; így a súrlódási veszteség kiküszöbölésével rendkívül nagy sebességet tudnak elérni.

Kifejlesztés alatt van a szupravezetős energiaátvitel technikája, amelyhez szintén óriási mennyiségű héliumra lesz szükség. Ezekben a vezetékekben megtakarítják a mai hálózatokban elkerülhetetlen felesleges veszteségeket. Igaz, hogy 1986-ban a szupravezető anyagok addig ismeretlen új osztályát fedezték fel, a magashőmérsékleti szupravezetőket, amelyek a folyékony nitrogén 77 K forráspontja felett is megtartják szupravezető tulajdonságukat, ezekből azonban lehetetlen olyan vezetékeket készíteni, amelyeken nagy elektromos teljesítményt lehetne továbbítani.

Nagy szerepe van a szupravezetésnek a Josephson-átmenetnél, amelyet szupravezető kvantuminterferenciás készülékek (Superconducting Quantum Interference Devices, SQUID) gyártásánál használnak fel. SQUID segítségével lehet észlelni az elektromos áramerősség vagy a mágneses mező igen kicsi változását, felhasználható az agytevékenység térképezéséhez is. Josephson-átmenetek vannak a szupergyors mikroelektronikai kapcsolókban, amelyek talán a jövő számítógépeinek az alapját fogják képezni.

A felsorolt technikai alkalmazásokon kívül a folyékony hélium - mint kriogén anyag - fontos szerepet játszik a kutatás majdnem minden területén a korszerű laboratóriumokban, a jövő technikájának előkészítésében. Valóban, alapkutatások vezettek az anyagoknak a folyékony hélium hőmérsékletén tapasztalt szokatlan tulajdonságai megismeréséhez, így a szupravezetés technikai felhasználásához is. Héliummal hűtik nagyon alacsony hőmérsékletre az infravörös és más érzékelőket (például a modern teleszkópokban) az alapzaj csökkentésére, igen gyenge jelek detektálására. Ezeken kívül gyakran van szükség a kutatásban folyékony hélium hőmérsékletén, kriogén szivattyúzással előállítható rendkívül nagy vákuumra is.

A kriogén alkalmazásokon kívül van hagyományosabb felhasználása is a héliumnak. Mint a (hidrogén után) a második legkönnyebb, de kémiailag közömbös gáz, a hidrogénnél biztonságosabb “emelő gázként" alkalmazható. Emelési célokra jelenleg a héliumnak kevesebb, mint 10 %-át használják fel. Hegesztésnél héliummal állítanak elő semleges közeget az oxidáció megakadályozására - ide megy a héliumfogyasztás 25 %-a. Más gyártási eljárások folyamán is alkalmaznak héliumot semleges atmoszféra előállításához, például félvezető-kristályok növesztéséhez, száloptika készítéséhez (12 % körül), nagy üzemanyagtartályok tisztításához például a NASA-nél (23 %), lezárt rendszerek szivárgásának az észleléséhez (2 %) és orvosi célokra (ez is 2 %).

A héliumkészletek végesek és pótolhatatlanok. Igaz, hogy a világon a legtöbb hélium a légkörben fordul elő, mennyisége körülbelül 2 x 10¹³ m³, azonban a koncentrációja olyan kicsi (0,0005 %), hogy lehetetlen kinyerni az energiafelhasználás óriási költségei miatt. A többi hélium körülbelül 3,17 x 10¹³ m³ a radioaktív a -bomlás terméke és természetes földgázban található. Héliumban különösen gazdag földgázmezőkkel az USA - és kisebb részben Kanada- rendelkezik.

Az USA-n kívüli gázmezőkön a héliumkoncentráció 0,1 %-nál kisebb. Ésszerű feltételezés, hogy a kitermelés költsége fordítva arányos a koncentrációval, ezért a héliumban gazdag mezőkből kitermelt gáz energiaköltsége az Egyesült Államokban lényegesen kisebb, mint bárhol másutt a világon. A dollárban kifejezett költségek összehasonlítása azonban nem könnyű, mivel a héliumot tartalmazó metángáz gazdasági értékességétől is függ. Mindenesetre az USA a világon a hélium legnagyobb termelője, fogyasztója és exportálója. Általában az export a teljes hazai termelésnek körülbelül egyharmadát teszi ki. Például 1992-ben az USA exportja 1,09 x 10⁷ m³ volt; jóval több, mint a világ többi országának együttes termelése. Az amerikai 6,40 x 10⁷ m³ fogyasztásból 0,85 x 10⁷ m³ jutott olyan intézményeknek, mint a NASA és a DOD. A héliumeladás az 1970-es 1,90 x 10⁷ m³-ről 1980-ra 3,11 x 10⁷ m³-re, 1995-re 9,91 x 10⁷ m³-re nőtt.

Az Egyesült Államok gázkútjaiból évente kiszivattyúzott földgáz héliumtartalma 19,52 x 10⁷ m³. Ebből hazai és külföldi felhasználásra körülbelül 9,34 x 10⁷ m³-t nyernek ki; de az extrakciós eljárás során 1,03 x 10⁷ m³ elvész a légkörben, a gázban maradt 9,06 x 10⁷ m³ szintén a levegőben oszlik el, amikor a földgázt elégetik. A hélium fogyásának mértéke erősen függ a földgázfogyasztás ütemétől. Amerikában a teljes finomított héliumtermelés 10 %-át a 400 éves berendezésekkel dolgozó Bányászati Hivatal adja - ez a mennyiség fedezi az állami intézmények igényét. A fennmaradó évi 8,49 x 10⁷ m³-t magántermelők magáncélú eladásra vonják ki.

A légkörbe kerülő 9,06 x 10⁷ m³ véglegesen elvész; visszanyerése a hallatlanul nagy költségek miatt gyakorlatilag megoldhatatlan: ez a művelet az USA energiafogyasztásának mintegy 5 %-át emésztené fel. Elképzelhető, hogy valamilyen magánvállalat hajlandó lenne a ma még kárba vesző héliumot kitermelni, ha akadna rá vevő. Egy 1960-as rendelet (“HeliumAct") a Belügyminisztériumot hatalmazza fel a beszerzések lebonyolítására, éppen a héliumkészlet-megóvási program keretében. 1962 és 1973 között a program alapján 96,22 x 10⁷ m³-t vásároltak és tároltak a Texas állambeli Amarillo melletti Cliffside gázmezőkön; az itteni tároló-rendszert csővezetékek kötik össze a vidék héliumtermelő mezőivel. 1973-ban befejezték a beszerzési programot, és 1990-ig a Cliffside-ban felhalmozott állami héliumtartalék mennyisége állandó, körülbelül 90,56 x 10⁷ m³.

Még ha az amerikai igény nem is nő olyan gyorsan, mint az idézett 1973 és 1995 közötti eladási számokból következik, a földgázfelhasználás növekedése akkor is meggyorsítja majd a héliumtartalékok felélését. A ki nem nyert hélium elégetés során eltűnik a levegőben. A Bányászati Hivatalnak az a véleménye, hogy a nemzeti kincset jelentő hélium túlnyomó részét szolgáltató, héliumban gazdag gázmezők körülbelül 25 év múlva kimerülnek, azután a hélium ára tetemesen megnő.

Az Amerikai Kongresszusnak a költségvetési törvény keretében hozott rendelete értelmében az USA kormánya teljesen kivonul a hélium kivonásának és hasonló tevékenységeknek a területéről, és 2005-től kezdve elrendeli a héliumtartalék felszámolását. A Clinton-kormány is támogatja a héliumkészletek felszámolásának törvényes rendezését, erre még szűkebb határidőt javasol, azt, hogy:

1. 1. A Belügyminisztérium állítsa le a hélium további állami előállítását; a Bányászati Hivatal berendezéseit pedig, mint fölöslegeseket árusítsák ki. A Bányászati Hivatalt már 1996-ban megszüntették, de azt kívánja a kormány, hogy más állami szervek se vehessenek részt a héliumextrakcióban. Feltételezhető, hogy a magáncégek növelni fogják a termelést, hogy elérjék a Hivatal jelenlegi 0,85 x 10⁷ m³ teljesítményét. Nincs okunk feltételezni, hogy ha a kormány a magánipartól szerzi be a héliumot, akkor a költségek lényegesen nagyobbak lennének, mint ha saját maguk termelnék.
2. A rendelet előírja, hogy 90,56 x 10⁷ m³ állami tartalékot (17,00 x 10⁷ m³ kivételével) 2015. január 1-ig adják el. 17,00 x 10⁷ m³ fedezni fogja az állami intézmények két éves szükségletét. A hélium felkínálását eladásra legkésőbb 2005. január 1-én kezdjék meg, és olyan ütemben folytassák, hogy ez ne jelentsen fennakadást a privát extrakciós ipar működésében. De a törvény fogalmazása komoly félreértést jelez. Ésszerű volna megőrizni a héliumtartalékot egészen addig a nem nagyon távoli időpontig, amikor a csúcstechnikai alkalmazásokhoz szükséges ("high-tech") hélium kinyerése megdrágul, még ha nem is éppen a levegőből kell kivonni óriási költséggel, hanem inkább olyan gázmezőkből, ahol az ár magasabb lesz a mainál, ha a héliumot rentábilisan akarják előállítani. Hozzá kell tenni, hogy a tárolási költségek csekélyek. A törvény értelmében a Cliffside-tárolóban bizonyos héliummennyiséget 2015-ig meg kell tartani, így a kormány keveset fog megtakarítani ennek működtetésével és fenntartásával. (Ezeket a költségeket évi 2 millió $-ra becsülik). Ez is megtérül, mivel a tartályokban magántermelők által termelt gázt is tárolnak, amikor a kínálat nagyobb a keresletnél. (Rendszerint a téli hónapokban, amikor nagy a lakásfűtések gázfogyasztása.)
3. A rendelet nem ad biztosítékot arra, hogy a most kárba vesző héliumot hogyan fogja megmenteni. Több földgázt szivattyúznak ki a talajból, mint amennyiből a magáncégek ki tudnák nyerni a héliumot, ezért most évente 9,06 x 10⁷ m³ hélium oszlik el a légkörben. A tartalékképzés fontosságára felhozott érvek alapján a jövővel szembeni kötelességünk gondoskodni az egyébként kárbavesző hélium tárolásáról. A következő évtizedekben a héliumkészlet egyre értékesebb nemzeti vagyont fog képviselni. Valószínű, hogy a következő húsz év folyamán a hélium piaci ára évente átlagosan 6,5 %-kal nőni fog, tehát körülbelül annyival, amennyi az államkötvények évi kamata. Amikor majd kimerülnek a héliumban gazdag mezők, a hélium kinyerési költsége meredeken fog emelkedni. Meg kell vizsgálni a lehetőségét, hogyan lehet fedezni a tarolás költségeit, például fogyasztási adóból.

A hélium ügyét jól összezavarták azzal az indokolással, hogy a készletek kiárusítása az 1,4 milliárd $ "adósság" kifizetéséhez szükséges. Az úgynevezett adósság azért keletkezett, mert a héliumbeszerzési programot a Kincstár finanszírozta a Bányászati Hivatalnak nyújtott 252 millió $-os "hitel" formájában, ez nőtt 1960 óta, a kamatokkal együtt 1,4 milliárd $ "adóssággá". Ha a kormány tiszta hasznát nézzük, akkor a Kincstárnak ez az 1,4 milliárd $-os "kintlévősége", amit a Bányászati Hivataltól akar behajtani, egyszerűen illuzórikus. Pénzösszegek átadása egyik kormányzati szervtől a másiknak sem nem csökkenti, sem nem növeli az államadósságot vagy a költségvetési hiányt. A nemzeti kincset jelentő héliumkészlet kiárusítása tehát mind gazdasági, mind technikai szempontból rövidlátó cselekedet lenne.