हीलियम का विकल्प खोजना मुश्किल है

 (construction-physics.com)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 21 일 전 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • हीलियम केवल प्राकृतिक गैस उत्पादन का उप-उत्पाद होने के कारण भूराजनैतिक टकरावों और सप्लाई चेन व्यवधानों के प्रति बहुत संवेदनशील है
  • MRI·सेमीकंडक्टर·ऑप्टिकल फाइबर·एयरोस्पेस·वैज्ञानिक अनुसंधान जैसे क्षेत्रों में अत्यल्प तापमान कूलिंग और निष्क्रिय गुणों के कारण यह एक अनिवार्य संसाधन है
  • EUV lithography·सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट कूलिंग जैसे उपयोगों में इसके भौतिक गुणों के कारण कोई वैकल्पिक गैस मौजूद नहीं है
  • कुछ क्षेत्रों में रीसाइक्लिंग सिस्टम से उपयोग घटाया जा रहा है, लेकिन पूर्ण प्रतिस्थापन असंभव है
  • हीलियम की सप्लाई प्राकृतिक गैस उत्पादन से सीधे जुड़ी है, इसलिए पर्यावरणीय नियमों और इन्फ्रास्ट्रक्चर विस्तार में देरी से दीर्घकालिक सप्लाई अस्थिरता पैदा होती है

हीलियम सप्लाई चेन और अपरिवर्तनीयता

  • ईरान युद्ध और Hormuz जलडमरूमध्य की नाकेबंदी के कारण केवल तेल ही नहीं, हीलियम सप्लाई चेन पर भी गंभीर असर पड़ा
    • हीलियम प्राकृतिक गैस उत्पादन का उप-उत्पाद है, और क़तर वैश्विक सप्लाई का लगभग 1/3 हिस्सा देता है
    • जलडमरूमध्य बंद होने से हीलियम की कीमतें तेज़ी से बढ़ीं, और सप्लायर्स ने force majeure घोषित किया
    • अमेरिकी सरकार द्वारा बनाए रखा गया रणनीतिक हीलियम भंडार 2024 में पूरी तरह बेच दिया गया

हीलियम के गुण और उत्पादन संरचना

  • हीलियम हाइड्रोजन के बाद सबसे हल्का तत्व है और ब्रह्मांड में दूसरा सबसे प्रचुर तत्व है
    • पृथ्वी के वायुमंडल में यह हल्का होने के कारण अंतरिक्ष में निकल जाता है, इसलिए इसका वाणिज्यिक निष्कर्षण केवल भूमिगत प्राकृतिक गैस भंडारों से ही संभव है
    • यह यूरेनियम·थोरियम के रेडियोधर्मी क्षय से बनता है और लाखों वर्षों में गैस परतों में जमा होता है
  • अमेरिका और क़तर वैश्विक उत्पादन का लगभग 2/3 हिस्सा संभालते हैं, जबकि बाकी रूस·अल्जीरिया·कनाडा·चीन·पोलैंड आदि उत्पादन करते हैं
    • हीलियम का क्वथनांक 4.2K(-452°F) है, जो सभी तत्वों में सबसे कम है
    • यह परम शून्य के पास भी द्रव अवस्था में बना रह सकता है, इसलिए अत्यल्प तापमान कूलिंग के लिए अनिवार्य है
    • निष्क्रियता·उच्च ताप चालकता·हल्कापन जैसे गुणों के कारण इसका उपयोग कई उद्योगों में होता है

हीलियम के प्रमुख औद्योगिक उपयोग

  • दुनिया भर में वार्षिक उपयोग लगभग 18 करोड़ ㎥ है, जो नाइट्रोजन या प्राकृतिक गैस की तुलना में कम है, लेकिन यह अपरिवर्तनीय कोर संसाधन है

  • MRI उपकरण

    • अमेरिका में हीलियम खपत का लगभग 17% हिस्सा
    • इसका उपयोग सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट कूलिंग में होता है, और NbTi मैग्नेट केवल परम शून्य से 9.2 डिग्री ऊपर तापमान तक ही सुपरकंडक्टिंग अवस्था बनाए रखते हैं
    • पहले प्रति घंटे 0.4 लीटर का नुकसान होता था, लेकिन अब ‘zero boil-off’ डिज़ाइन के कारण दोबारा भरने की ज़रूरत लगभग नहीं रहती
    • कुछ high-temperature superconductor MRI मौजूद हैं, लेकिन अधिकांश 50,000 MRI अब भी हीलियम पर निर्भर हैं

  • सेमीकंडक्टर उद्योग

    • वैश्विक हीलियम का लगभग 25%, और अमेरिका में लगभग 10% उपयोग
    • Czochralski प्रक्रिया से सिलिकॉन वृद्धि, EUV lithography, vacuum chamber सफाई, leak detection आदि में उपयोग
    • EUV उपकरणों में हीलियम EUV radiation को लगभग अवशोषित नहीं करता, इसलिए इसका विकल्प संभव नहीं
    • उद्योग रिपोर्टों के अनुसार 2035 तक हीलियम उपयोग 5 गुना बढ़ने की संभावना है

  • ऑप्टिकल फाइबर निर्माण

    • वैश्विक हीलियम का 5~6% उपयोग
    • ग्लास कोर और क्लैडिंग को जोड़ते समय बुलबुले बनने से रोकने वाली cooling gas के रूप में उपयोग
    • इसका कोई अन्य व्यवहार्य गैस विकल्प नहीं है

  • purge गैस

    • एयरोस्पेस उद्योग में liquid hydrogen·liquid oxygen टैंकों की सफाई के लिए उपयोग
    • NASA अमेरिका में हीलियम का सबसे बड़ा उपयोगकर्ता है, जो कुल खपत का लगभग 7% इस्तेमाल करता है
    • कम क्वथनांक और निष्क्रिय गुणों के कारण इसे अन्य गैसों से बदलना कठिन है

  • buoyancy गैस

    • airship·balloon** में उपयोग, अमेरिका में खपत का लगभग**18%

      • हाइड्रोजन की तुलना में अधिक सुरक्षित, लेकिन सप्लाई की कमी होने पर कीमतों में अस्थिरता अधिक

  • वैज्ञानिक अनुसंधान और मापन

    • अमेरिका में खपत का लगभग 22%
    • सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट·SQUID·mass spectrometer जैसे अत्यल्प तापमान या उच्च-सटीकता उपकरणों के लिए अनिवार्य
    • CERN का LHC जैसे बड़े अनुसंधान केंद्रों में भी बड़े पैमाने पर उपयोग

  • वेल्डिंग

    • अमेरिका में लगभग 8% उपयोग
    • निष्क्रियता·उच्च ताप चालकता के कारण पिघली धातु की सुरक्षा के लिए shielding gas के रूप में उपयुक्त
    • विदेशों में कई मामलों में argon से प्रतिस्थापन किया जाता है

  • डाइविंग

    • अमेरिका में लगभग 5% उपयोग
    • गहरे समुद्र में डाइविंग के लिए श्वास मिश्रित गैस (Trimix) में शामिल, जिससे nitrogen narcosis रोकी जाती है
    • हीलियम के अलावा केवल neon आंशिक विकल्प है, लेकिन श्वसन प्रतिरोध अधिक होने से इसकी व्यावहारिकता कम है

हीलियम बचत और रीसाइक्लिंग के प्रयास

  • कुछ क्षेत्रों में वैकल्पिक गैसों या रीसाइक्लिंग सिस्टम से खपत कम की जा रही है
    • MRI उपकरणों में हीलियम नुकसान में कमी, और NASA द्वारा रीसाइक्लिंग सिस्टम अपनाने से एयरोस्पेस क्षेत्र में उपयोग 2010 में 1,820 लाख ㎥(26%) → 400 लाख ㎥(7%) तक घटा
    • फिर भी अमेरिका में अधिकांश हीलियम अब भी रिकवर नहीं किया जाता, जबकि रीसाइक्लिंग से 90% से अधिक कमी की संभावना है
  • पूर्ण प्रतिस्थापन संभव नहीं है, और इसे ऐसा संसाधन माना जाता है जिसमें ‘कमी’ संभव है लेकिन ‘समाप्ति’ कठिन है

सप्लाई बाधाएँ और नीतिगत संकेत

  • हीलियम की सप्लाई प्राकृतिक गैस उत्पादन से सीधे जुड़ी है
    • नया हीलियम हासिल करने का सबसे सीधा तरीका प्राकृतिक गैस उत्पादन बढ़ाना है
    • अमेरिका में Alaska·Gulf of Mexico·Marcellus shale जैसे अविकसित गैस भंडार मौजूद हैं
    • लेकिन पर्यावरणीय नियमों और अनुमति में देरी के कारण नए प्रोजेक्ट की मंज़ूरी में अक्सर 10 साल से अधिक लग जाते हैं
  • हीलियम और प्राकृतिक गैस सप्लाई पर बाधाएँ कीमत अस्थिरता और सुरक्षा जोखिम पैदा करती हैं
    • इसलिए नीतिगत हस्तक्षेप और इन्फ्रास्ट्रक्चर विस्तार सप्लाई स्थिरता के लिए प्रमुख चुनौती हैं

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 21 일 전
Hacker News की राय

  • प्राकृतिक गैस बिजलीघरों में 10% से भी कम ही helium रिकवर किया जाता है और बाकी को वातावरण में छोड़ दिया जाता है
    यह physics की नहीं बल्कि engineering और economics की समस्या है

    • जैसे-जैसे fossil fuel का उपयोग घटेगा, यह समस्या और बड़ी हो सकती है
      fusion से helium बनाना अव्यावहारिक है, लेकिन अगर कभी hydrogen पर proton दागकर गुब्बारे भरने वाला भविष्य आया तो वह सचमुच SF जैसा होगा
      helium एक inert gas है, इसलिए ऐसा कोई molecule नहीं है जिसे तोड़कर इसे निकाला जा सके, और radioactive decay से मिलने वाली मात्रा की भी सीमा है
    • आखिरकार अगर scarcity की समस्या बढ़ी तो market price adjust होगा
      मुझे लगता है कि कंपनियां long-term नज़रिए से काम नहीं करतीं, इसकी वजह bonus structure है

  • helium shortage की मुझे चिंता नहीं है
    तकनीकी रूप से इसे अच्छी तरह निकाला जा सकता है, समस्या economics की है
    कीमत बढ़ेगी तो investment बढ़ेगा और supply भी उसके साथ आएगी
    अभी demand forecast और capital cost का तालमेल नहीं बैठ रहा, इसलिए आर्थिक व्यवहार्यता कम है

    • लेकिन अगर demand लगातार बढ़ती रही, तो 40~60 साल में ‘सस्ते’ भंडार खत्म हो सकते हैं
      सालाना 3% growth पर 80~140 साल में, और 5% growth पर 50~90 साल में भंडार समाप्त हो जाएंगे
      “मुझे चिंता नहीं है” कहना आखिरकार सिर्फ पीढ़ीगत स्वार्थ वाला नज़रिया है

  • हाल ही में Bloomberg के Odd Lots पॉडकास्ट में helium producer का इंटरव्यू सुना
    उसमें helium market की संरचना और supply की समस्याओं पर बात हुई

  • जब मेरे बेटे को बहुत गंभीर asthma attack हुआ था, तब helium treatment की वजह से उसकी जान बची
    डॉक्टर ने helium shortage की बात करते हुए कहा था कि उसे balloon helium से नफ़रत है
    तब सच में महसूस हुआ कि यह कितना कीमती संसाधन है

  • welding, lift, purge gas जैसी उन उपयोगों को कम कर दिया जाए जिनके विकल्प मौजूद हैं, तो सिर्फ उससे ही Qatar के पूरे उत्पादन की भरपाई की जा सकती है
    इसमें recycling भी जोड़ दी जाए तो supply की समस्या काफी हद तक कम हो सकती है

  • diving mixed gas में helium के कुछ हिस्से को hydrogen से replace करने के प्रयोग चल रहे हैं
    fire risk और physiological effects अभी भी अनिश्चित हैं, लेकिन commercial, military और exploration diving में संभावना है
    आम leisure diver शायद hydrogen का इस्तेमाल कभी नहीं करेगा
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    • मुझे लगता है कि इंसानों को सीधे गोता लगाने देने के बजाय underwater drone को बेहतर बनाना ज्यादा सही होगा
      remotely operated robotic arm की precision बढ़ाई जाए तो यह काफी हद तक विकल्प बन सकता है
    • आम leisure diver helium का लगभग इस्तेमाल ही नहीं करते

  • Odd Lots पॉडकास्ट का एपिसोड दिलचस्प था
    उसमें यह कहानी थी कि अमेरिका ने अपना strategic helium reserve “गुब्बारों के लिए” कहकर बहुत सस्ते में बेच दिया, और helium के उत्पादन, शोधन और परिवहन की कठिनाइयों पर भी चर्चा हुई

    • दरअसल reserve की बिक्री एक बार में नहीं हुई थी, बल्कि धीरे-धीरे की गई थी
      उस समय helium की strategic value कम मानी जाती थी, और Cold War के दौर में reconnaissance military balloon इसका मुख्य उपयोग थे
      बाद में यह semiconductor lithography के लिए अनिवार्य संसाधन बन जाएगा, यह किसी ने नहीं सोचा था
    • अमेरिका एक प्रमुख supplier था, इसलिए market distort हो गया
      strategic reserve को लगातार supply source की तरह इस्तेमाल कर कीमत को कृत्रिम रूप से नीचे रखने का नतीजा यह हुआ कि आज की shortage पैदा हुई
    • मज़ाक में कहें तो शायद atmosphere की ऊपरी परतों में helium बहुत मिलेगा

  • EUV lithography पर निर्भरता सबसे ज़्यादा चिंताजनक लगती है
    MRI ने zero-boiloff design से खपत को 90% से अधिक घटा दिया है, लेकिन semiconductor process में उल्टा wafer per helium usage बढ़ रहा है
    यह recycling की नहीं बल्कि demand growth की समस्या है

    • फिर भी EUV fab दूसरे उद्योगों की तुलना में कहीं ऊँची कीमत चुकाने की क्षमता रखते हैं

  • helium supply chain में व्यवधान के आर्थिक असर कई दशकों तक जारी रह सकते हैं
    खासकर यह चिंता की बात है कि अमेरिका के भीतर बहुत कम लोग इस समस्या की गंभीरता को समझते हैं

  • 1980 के दशक में पढ़ा Isaac Asimov का निबंध The Vanishing Element याद आ गया
    उसमें चेतावनी दी गई थी कि helium एक ऐसा संसाधन है जो एक बार वातावरण में छूट जाए तो अंतरिक्ष में खो जाता है
    अब लगता है कि वह भविष्यवाणी सच हो गई

    • लेकिन वास्तव में helium सिर्फ ऊपर उठकर गायब नहीं हो जाता
      वातावरण में यह हवा के साथ मिल जाता है और उसका केवल एक हिस्सा ही escape velocity तक पहुंचता है
      solar wind जैसी कई जटिल वजहों से उसका कुछ हिस्सा अंतरिक्ष में निकल जाता है, लेकिन सटीक mechanism पर अभी भी बहस जारी है