Hélium

L’hélium, élément atomique n°2 de symbole He : ses caractéristiques, ses isotopes, ses corps simples, ses corps composés et son histoire.

Des traces de ³He (issues du vent solaire) sont également visibles dans les matériaux extraplanétaires tels que le régolithe de la Lune. En effet, la surface de la Lune en renferme une concentration d’environ 10^-8. Pour cette raison, l’idée d’explorer la Lune était venue chez certains chercheurs afin d’extraire l’hélium 3 du régolithe. Leur objectif était de produire de l’énergie à partir de cet isotope via des réactions nucléaires.

Une autre hypothèse sur son origine

De l’hélium riche en ³He se libère de l’intérieur de la Terre, notamment dans les gaz volcaniques et les laves. Dans ce cas, il serait issu de la formation de notre planète. À l’état gazeux ou dissous dans les minéraux du manteau inférieur (couche entre la croûte et le noyau terrestre), cet élément serait quasiment dégazé. Cette hypothèse est appuyée par le fait que l’hélium est particulièrement volatil. De plus, les températures à l’intérieur de la Terre sont extrêmement élevées.

Dans les conditions du manteau inférieur, l’hélium devrait donc prendre la forme d’un minéral stable. Toutefois, jusqu’à présent, aucune étude ne prouve qu’il en existe. En 2018, un calcul de l’enthalpie libre de nombreux composés de l’hélium hypothétiques (mais probables) a été effectué. À l’issue de cette opération, on a prédit un seul composé d’enthalpie libre et faible, capable de piéger l’hélium dans le manteau inférieur. Il s’agirait du dioxyde de fer et d’hélium (FeO₂He).

Les propriétés nucléaires de l’hélium

Refroidir le ⁴He est possible jusqu’à 1 K par évaporation. En revanche, par le même procédé, le ³He peut être refroidi jusqu’à 0,2 K en raison de son faible point d’ébullition. D’ailleurs, la séparation des mélanges de ³He et de ⁴He (à quantités égales) survient sous 0,8 K. Ces deux isotopes deviennent en effet non miscibles, car le premier est un boson et le second un fermion. Chacun suit une statistique quantique propre à lui.

Produire d’autres isotopes de l’hélium est possible par fusion nucléaire. Toutefois, leur désintégration est rapide du fait de leur instabilité. Le ²He (avec 2 protons seulement) possède la demi-vie la plus courte, estimée à 3 x 10⁻²⁷ s. Par émission d’un neutron, la désintégration du ⁵He et du ⁷He s’effectue respectivement en 7,6 x 10⁻²³ s et en 2,9 x 10⁻²¹ s. Par radioactivité β, le ⁶He et le ⁸He se désintègrent respectivement en 0,8 s et en 0,119 s. Les neutrons de ces deux isotopes ont la particularité de se situer loin du cœur (halo nucléaire).

Les propriétés chimiques de l’hélium

L’hélium est un gaz noble à très faible réactivité chimique possédant une couche de valence complète. Il est le moins réactif parmi les corps simples, car il est dépourvu de sous-couches qui peuvent réagir. Malgré cela, cet élément chimique est capable de produire des composés instables. Il peut s’associer avec le fluor, le tungstène, le soufre, l’iode et le phosphore plasma, par décharge ou un autre processus.

Certains composés tels que le HeNe, le WHe₂ et le HgHe₁₀ ont été formés de cette façon. Il en est de même pour les ions moléculaires HeH⁺, He₂⁺, He₂⁺⁺ et HeD⁺. Par cette méthode de décharge, la molécule neutre He₂ a été produite. Celle-ci dispose d’un nombre élevé de systèmes de bandes. En théorie, d’autres composés comme le fluorohydrure d’hélium (HHeF) peuvent aussi être formés. La formation de l’héliure de lithium (LiHe) à l’état gazeux était possible en 2013, par ablation laser à très basse température.

Les complexes endoédriques de fullerènes (le He@C₆₀ par exemple) constituent les premiers composés stables de l’hélium prouvés scientifiquement. Ils renferment un atome d’hélium qui est piégé dans une cage de fullerène (C₆₀). D’ailleurs, il est possible de produire un composé stable d’hélium et de sodium (Na₂He) à pression extrêmement élevée (au-delà de 113 GPa). Ce type de molécule pourrait être présent dans les planètes à forte pression telles que Saturne et Jupiter.

L’inhalation de l’héliox

En inhalant de l’héliox (hélium + dioxygène) à une pression supérieure à 2 MPa, une personne risque d’atteindre un syndrome nerveux des hautes pressions. Néanmoins, il est possible d’éviter ce trouble par adjonction d’une petite quantité de diazote à ce mélange. En plongée subaquatique, il n’est possible d’éviter ce trouble qu’en ajoutant de l’hydrogène à l’héliox.

L’usage thérapeutique de l’hélium

En médecine, l’hélium est ajouté à des mélanges comprenant au moins 20 % de dioxygène. Les médecins administrent ces mélanges à des patients souffrant d’une obstruction des voies respiratoires supérieures ou inférieures. Grâce à sa faible viscosité, cet élément chimique contribue à réduire le travail de respiration.

Les mesures de sécurité

Il convient de prendre certaines précautions lors du traitement de l’hélium cryogénique. Sa température extrêmement basse expose les personnes à des risques de brûlures par le froid. Entre la phase liquide et la phase gazeuse, le taux de dilatation thermique de cet élément est particulièrement élevé. Cela peut même causer des explosions du fait de l’accélération de la vaporisation. Pour éviter ce danger, il est essentiel d’installer un dispositif de limitation de pression. D’ailleurs, les professionnels doivent manipuler avec précaution les réservoirs d’hélium gazeux à 5-10 K. Ils doivent prendre les mêmes mesures qu’avec les réservoirs d’hélium liquide.

Les différentes formes d’hélium

Cet élément chimique peut se présenter sous plusieurs différentes formes (corps simple, plasma, gaz, liquide, solide ou superfluide).

Corps simple

L’hélium est un gaz noble chimiquement inerte, inodore et incolore. Il est souvent sollicité dans le cadre de l’expérimentation des théories physico-chimiques. Il agit de la même manière qu’un « gaz parfait » dans un large panel de pressions et de températures. Ces deux isotopes, ³He et ⁴He, ne disposent pas de point triple. Ils sont d’ailleurs les seuls composés chimiques à avoir cette caractéristique.

Plasma

L’hélium à l’état de plasma est présent dans l’Univers, hors de la Terre. Ses propriétés sont bien différentes de celles de l’hélium atomique. Ses électrons sont séparés du noyau, générant ainsi une importante conductivité électrique, et ce, même en cas d’ionisation partielle. De ce fait, les particules chargées réagissent sensiblement au champ magnétique et au champ électrique. Dans le vent solaire, l’interaction de l’hélium et de l’hydrogène ionisés avec la magnétosphère terrestre provoque, par exemple, l’apparition des phénomènes tels que les aurores boréales ou les courants de Birkeland.

Gaz

L’hélium gazeux possède la conductivité thermique la plus élevée parmi tous les gaz connus (excepté l’hydrogène). Il constitue un bon isolant électrique. Il est le moins hydrosoluble parmi tous les gaz connus. Grâce à la taille minuscule de ses atomes, il diffuse à travers les solides à une vitesse trois fois supérieure à celle de l’air. Sa capacité thermique spécifique est particulièrement élevée.

Ce gaz noble dispose d’un coefficient de Joule-Thomson négatif à température ambiante. En effet, sa température augmente lors de sa libre détente. Sa température d’inversion de Joule-Thomson se situe approximativement à 40 K (-233,15 °C à la pression de 1 atm). Lorsque l’hélium gazeux est refroidi en deçà de cette température, il peut devenir liquide.

Solide

La solidification de l’hélium n’est possible que sous l’effet de fortes pressions. L’hélium solide est invisible, incolore et fortement compressible. Dans un laboratoire, il est possible de compresser son volume jusqu’à plus 30 %. Il possède un module d’élasticité cubique d’environ 5 × 10⁷ Pa. Ainsi, sa compressibilité est cinquante fois plus élevée que celle de l’eau.

Contrairement à d’autres éléments, l’hélium conserve son état liquide dans des conditions normales de pression. Jusqu’au zéro absolu, il ne change pas. En outre, l’hélium solide requiert une pression d’au moins 26 atm. D’ailleurs, l’hélium liquide et l’hélium solide sont difficiles à distinguer. Ils ont des indices de réfraction presque identiques. Néanmoins, l’hélium solide est reconnaissable par sa chaleur latente élevée et sa structure cristalline hexagonale.

Les diverses utilisations de l’hélium

Malgré son prix élevé, l’hélium est particulièrement sollicité dans divers domaines d’activité. Cela s’explique par le fait que cet élément possède des propriétés uniques telles que sa faible densité, son point d’ébullition bas, sa grande conductivité thermique, sa faible solubilité et son caractère chimiquement inerte.

Les différentes formes de l’hélium dans le commerce

L’hélium est vendu sous forme liquide et gazeuse sur le marché. On peut notamment trouver :

• de petits réservoirs (dewars) d’une capacité de 1 000 l d’hélium liquide.
• de grands réservoirs ISO d’une capacité maximale de 40 000 l.

En revanche, l’hélium gazeux est fourni en petite quantité dans des cylindres à haute pression d’une contenance maximale de 8,5 m³ standards. Il est également disponible en grande quantité. Dans ce cas, des camions-citernes sous pression d’une capacité jusqu’à 5 000 m³ standards sont mobilisés pour le livrer.

Les usages industriels

Dans certains réacteurs nucléaires refroidis au gaz, l’hélium joue le rôle de fluide de transfert de chaleur. Il y est plébiscité pour sa haute conductivité thermique, son caractère inerte et sa transparence aux neutrons. De plus, il ne produit aucun isotope radioactif dans les réacteurs.

En raison de son caractère inerte, l’hélium fait office d’atmosphère protectrice dans les situations suivantes :

• pour produire du zirconium et du titane ;
• pour développer le silicium monocristallin qui sert à fabriquer des fibres optiques et des circuits intégrés ;
• en chromatographie en phase gazeuse.

Il est également utilisé dans les souffleries supersoniques, parce qu’en plus d’être chimiquement inerte, il dispose d’une vitesse de son élevée. De plus, il possède un important coefficient de Laplace, ainsi que des propriétés thermodynamiques et calorifiques idéales, qui sont essentiels dans ce domaine. Ces mêmes atouts font aussi de lui un élément indispensable pour les installations d’étude de phénomènes transitoires.

Par ailleurs, l’hélium est ajouté dans des disques durs scellés afin de booster leur capacité. Ces disques sont dotés d’un outil de détection d’éventuelles pertes d’hélium dangereuses. Il est à noter qu’aucune étanchéité n’est irréprochable.

Pour la réfrigération thermoacoustique, l’hélium est mélangé avec un gaz plus lourd tel que le xénon. En effet, il est privilégié en raison de son faible nombre de Prandtl et son grand rapport des capacités thermiques. De plus, son inertie chimique présente des avantages environnementaux non négligeables. Contrairement à cela, les autres systèmes de réfrigération favorisent le réchauffement climatique ou le trou d’ozone.

L’hélium est employé comme un détecteur de fuites dans les réservoirs à haute pression et les équipements à ultravide. Outre cela, il constitue un additif alimentaire autorisé par l’Union européenne sous la référence E939. Dans cet usage, il permet de vérifier l’étanchéité de l’emballage des produits alimentaires.

Les usages scientifiques

L’usage de l’hélium fait baisser les effets de distorsion causés par les variations de température dans l’espace entre les lentilles de certains télescopes. Il est possible grâce à l’indice de réfraction extrêmement bas de cet élément chimique. Ce procédé est surtout employé pour les télescopes solaires qui subissent de grandes variations de température.

L’hélium liquide sert également à refroidir certains métaux aux températures très basses sollicitées pour la supraconductivité. C’est notamment le cas des aimants supraconducteurs employés dans les appareils d’IRM (Imagerie par résonance magnétique). Le Grand collisionneur de hadrons au CERN se sert également de 120 t d’hélium sous forme liquide afin de conserver la température des aimants à 1,9 K.

De façon globale, le domaine de la cryogénie utilise grandement cet élément chimique. Toujours dans les domaines scientifiques, ces derniers déterminent l’âge des roches et des minéraux contenant du thorium et de l’uranium en évaluant leur contenu en hélium. Cette méthode est connue sous le nom de « datation à l’hélium ».

Les usages commerciaux

Certains mélanges d’hélium (héliox, héliair, trimix…) sont utilisés pour la plongée profonde. Le but est de limiter les impacts de la narcose à l’azote. Ces composés ont, en effet, une faible solubilité dans le tissu nerveux. D’ailleurs, un peu d’hydrogène peut être ajouté au mélange hélium-dioxygène afin de contrebalancer le syndrome nerveux de hautes pressions. Cela se passe dans des profondeurs au-delà de 150 m où l’hélium à faible densité réduit significativement le travail de respiration. Il convient également de citer les lasers He-Ne qui ont de nombreux usages, notamment sur les lecteurs de code-barres.

Avec le chimiste anglais Edward Frankland, Lockyer l’avait nommée « ἥλιος » ou « hélios » qui signifie « Soleil ». En 1882, Luigi Palmieri avait démontré pour la première fois la présence de l’hélium sur la Terre. Pour y arriver, ce volcanologue et météorologue italien avait réalisé l’analyse spectrale de la lave du Vésuve.

Les autres scientifiques qui avaient découvert l’hélium

Le 26 mars 1895, le chimiste anglais William Ramsay avait procédé à l’isolation de l’hélium sur la Terre. Il avait traité la clévéite avec des acides minéraux. La clévéite est, par définition, une sorte de pechblende qui renferme au moins 10 % de terres rares. Lors de sa recherche, Ramsay visait initialement à trouver de l’argon. Le diazote et le dioxygène étaient séparés du gaz sous l’influence de l’acide sulfurique. Après cette étape, le chercheur avait constaté au spectroscope une raie jaune brillante ressemblant à la raie D₃ qui avait été observée dans le spectre solaire. L’astronome Lockyer et le physicien anglais William Crookes avaient reconnu ces échantillons comme de l’hélium.

En 1895, les chimistes Abraham Langlet et Theodor Cleve à Uppsala avaient également isolé l’hélium de clévéite. Ils avaient accumulé des quantités suffisantes de gaz, leur permettant d’être plus précis sur la masse atomique de l’élément. Par ailleurs, quelques années avant que Ramsay avait découvert l’hélium, le géochimiste américain William Francis Hillebrand avait déjà détecté cet élément chimique. Il disait avoir remarqué des raies spectrales exceptionnelles au cours de l’analyse d’un échantillon d’uraninite. Il les avait confondues avec des raies du diazote.

Les premières expériences sur l’hélium

En 1907, Thomas Royds et Ernest Rutherford avaient découvert que les noyaux d’hélium sont constitués de particules α. Ils avaient permis à ces particules de passer par une fine fenêtre vitrée d’un tube vidé. Ils avaient généré une décharge dans ce tube, en vue d’analyser le spectre du gaz qui s’y trouvait.

En 1908, on avait liquéfié pour la première fois l’hélium. Cette opération était réalisée par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes. Ce dernier avait soumis ce gaz à une température inférieure à 1 K. À cette époque, ce chercheur avait également essayé de solidifier l’hélium sous une température encore plus basse. Cependant, il avait échoué dans cette expérience, car cet élément est dépourvu de point triple. C’était l’étudiant en physique Willem Hendrik Keesom qui avait réussi en 1926 la solidification de l’hélium en le mettant sous pression.

En 1938, Pyotr Leonidovitch Kapitsa, physicien soviétique, avait découvert que la viscosité de l’hélium 4 (sous une température proche du zéro absolu) ne peut pas être mesurée. En 1972, les physiciens américains Douglas D. Osheroff, Robert C. Richardson et David M. Lee avaient constaté ce même phénomène dans l’hélium 3. Cette fois-ci, l’élément était soumis à une température qui se rapprochait plus du zéro absolu. Selon ces chercheurs, la réaction dans l’hélium 3 était due à la formation de paires d’atomes. Ces derniers seraient des fermions qui permettent de produire des bosons. Ils agissent de la même façon que les paires de Cooper d’électrons sur lesquelles est basée la supraconductivité (absence de résistance électrique et expulsion du champ magnétique).

Les usages de cet élément à travers le temps

L’hélium était fortement sollicité durant les périodes de guerre. De petites quantités étaient néanmoins allouées à des utilisations civiles et commerciales.

Pendant la Première Guerre mondiale

La marine des États-Unis avait financé trois petites usines expérimentales de production d’hélium. Ce programme visait à fournir ce gaz inflammable et léger aux ballons captifs de barrage. Il avait permis de produire jusqu’à 5 700 m³ d’hélium pur à 92 %. Cette production était utilisée en partie pour alimenter le C-7 de la marine américaine, premier dirigeable gonflé dans le monde. Le 1^er décembre 1921, ce dirigeable à l’hélium réalisait son premier voyage de Hampton Roads à Washington, en Virginie. À l’époque, on ne recourait pas encore à l’extraction par liquéfaction du gaz à basse température. Cela n’avait pas empêché les États-Unis de poursuivre la production de l’hélium.

Entre les deux guerres

En 1925, le gouvernement américain avait créé une réserve nationale d’hélium, située à Amarillo, au Texas. Son objectif était d’approvisionner les aérostats militaires et civils. Lorsque l’Allemagne avait subi l’embargo militaire mis en place par les États-Unis en 1937, ce pays avait connu un problème de fourniture d’hélium. Il était ainsi contraint de gonfler à l’hydrogène le LZ 129 Hindenburg, le plus grand dirigeable commercial au monde. Cette décision avait cependant causé un terrible accident lors de l’atterrissage de ce dirigeable à Lakehurst, dans le New Jersey.

Pendant la Seconde Guerre mondiale

Ce gaz noble servait essentiellement à gonfler les aérostats. Grâce à ce nouvel usage, la demande avait significativement augmenté durant la Seconde Guerre mondiale. De même, le recours au spectromètre de masse à l’hélium était crucial pour le projet de recherche sur la production de la première bombe atomique. Le spectromètre de masse est une technique de détection de fuite à très haute sensibilité.

Il est à noter que le taux de pureté de l’hélium produit à cette époque s’établissait à environ 98,3 % (avec moins de 2 % de diazote). Ce pourcentage est essentiel pour le bon fonctionnement des aérostats. En 1945, une petite production d’hélium pur à 99,9 % était employée dans le domaine de la soudure à l’arc. À partir de 1949, ce gaz purifié à 99,995 % (de qualité A) était disponible pour des usages commerciaux.

Dans les années 50

Après la Seconde Guerre mondiale, une baisse de la consommation d’hélium était observée. Toutefois, la réserve avait augmenté dans les années 50. Celle-ci servait surtout à approvisionner en hélium liquide pour lancer des fusées durant la guerre froide et la course à l’espace. En 1965, la consommation d’hélium des États-Unis était huit fois plus élevée que celle enregistrée pendant les guerres.

Les contraintes dans la production de l’hélium

Suite aux amendements sur les lois de l’hélium de 1960, le Bureau des mines des États-Unis avait installé cinq usines privées pour extraire cet élément chimique du gaz naturel. Ainsi, cet organisme avait érigé un immense gazoduc qui s’étend sur 684 km entre Bushton, au Kansas, et Cliffside, au Texas. On y transportait, injectait et stockait le mélange hélium-diazote. L’extraction et la purification étaient effectuées lorsqu’on en avait besoin.

En 1995, la réserve avait pu accueillir un milliard de mètres cubes de gaz. En même temps, elle avait malheureusement accumulé des dettes de 1,4 milliard de dollars US. De ce fait, le Congrès des États-Unis avait ordonné l’arrêt de l’activité en 1996. Selon la loi de Privatisation de l’hélium de 1996, le Département de l’Intérieur des États-Unis a commencé à vider la réserve à partir de 2005.

La production de l’hélium aux États-Unis

Lors d’un forage pétrolier à Dexter, au Kansas, en 1903, les techniciens avaient observé un jet de gaz incombustible. Le géologue américain Erasmus Haworth y avait recueilli des échantillons du gaz produit. Il les avait emmenées à l’université du Kansas, Lawrence. Avec l’aide des chimistes David McFarland et Hamilton Cady, Haworth avait déterminé que ce gaz était constitué à 72 % de diazote, à 15 % de méthane et à 12 % de gaz non identifiable. Grâce à une étude plus approfondie, ces chercheurs ont su que 1,8 % de l’échantillon de gaz non identifié était de l’hélium.

En effet, malgré la rareté globale de cet élément sur la Terre, on en trouve en grande concentration sous les Grandes Plaines des États-Unis. D’ailleurs, l’hélium y constitue un sous-produit du gaz naturel. Il est à noter que le gisement de Hugoton possède les plus importantes réserves d’hélium. Il convient également de citer les gisements du Kansas, ainsi que les prolongements dans les États du Texas et de l’Oklahoma. Tous ces gisements ont permis aux États-Unis d’avoir le statut de premier producteur d’hélium dans le monde.

Les autres sites de production d’hélium

Dans la moitié des années 1990, l’Algérie a commencé à produire de l’hélium dans une usine située à Arzew. La production annuelle de ce pays s’élevait en moyenne à 1,7 x 10⁷ m³. Cette quantité était suffisante pour satisfaire la demande de l’Europe. Celle-ci représentait 16 % de la production mondiale. En revanche, la demande des États-Unis était supérieure à 15 000 t en 2000. Entre 2004 et 2006, deux usines supplémentaires ont été construites dans la ville qatarie de Ras Laffan et dans la ville algérienne de Skikda. Cette usine qatarie produisait 9,2 t d’hélium liquide par jour (1,88 × 10⁷ m³ par an).

L’Algérie était qualifiée comme le deuxième producteur d’hélium à cette époque. En raison de la hausse des coûts de production, les prix de l’hélium avaient fortement grimpé entre 2002 et 2007. En 2008, les principaux distributeurs avaient appliqué une augmentation de prix d’environ 50 % sur seulement un an. Peu d’investisseurs voulaient se lancer dans la production d’hélium.

En 2010, le physicien américain Robert Richardson avait affirmé sa crainte sur le risque de pénurie d’hélium. Il avait interpellé la communauté internationale. Il se montrait favorable à l’augmentation des prix de cet élément rare. Selon lui, il était important d’éviter le gaspillage de cette ressource rare.

En octobre 2019, 45-8 Energy, société par actions simplifiée, a déposé à la préfecture de Metz un permis exclusif de recherches de mines d’hélium dans le sud-ouest de la Nièvre, en France. Cette entreprise est autorisée à réaliser cette activité depuis le 3 juin 2021. C’est la première société consacrée à l’exploration et à la production éco-responsable d’hélium en Europe. Son siège social est basé à Metz, en Moselle.

D’ici à 2025, la Tanzanie commencera aussi sa production d’hélium si les études préliminaires se déroulent bien. Ce pays possèderait approximativement 138 milliards de pieds cubes, soit les plus grandes réserves du monde.