استرجاع الهيليوم ١٠١ — لماذا يجب على كل مستخدم صناعي للهيليوم أن يفهم تكنولوجيا الاسترجاع الآن؟

ملخّص: الهيليوم هو العنصر الثاني من حيث وفرته في الكون، ومع ذلك فهو عنصر لا بديل له ويزداد ندرةً على كوكب الأرض. وعلى عكس الغاز الطبيعي أو النيتروجين، لا يمكن تصنيع الهيليوم أبداً؛ بل يُنتَج حصراً كمنتج جانبي ضئيل أثناء استخراج الغاز الطبيعي، وبمجرد إطلاقه في الغلاف الجوي، يهرب إلى الفضاء الخارجي للأبد. أما بالنسبة للصناعات التي تعتمد على الهيليوم في اختبار التسريبات، والتبريد عند درجات الحرارة المنخفضة جداً، وحماية عمليات اللحام، والكروماتوغرافيا الغازية، وتصنيع أشباه الموصلات، فإن السؤال لم يعد يتعلّق بما إذا كانت أسعار الهيليوم سترتفع أم لا، بل كيف يمكن تقليل كميته المستخدمة لكل وحدة من الإنتاج. وقد برزت تقنية استرجاع الهيليوم — وهي العملية التي تشمل التقاط الهيليوم وتنقيته وإعادة استخدامه بدلاً من إطلاقه في الجو — باعتبارها الحل الوحيد المجدٍ اقتصادياً على المدى الطويل. ويوضّح هذا المقال كيفية عمل تقنية استرجاع الهيليوم، وما الذي يجعلها محفوفة بالتحديات التقنية، ولماذا يعمد المستخدمون الصناعيون الاستباقيون إلى بناء قدرات استرجاع الهيليوم قبل أن تُجبرهم انقطاعات الإمدادات على اتخاذ هذه الخطوة.

بنية تحتية لمعالجة الغازات الصناعية من النوع المستخدم في أنظمة استعادة الهيليوم — خزائن الغاز، ولوحات تنظيم الضغط، وشبكات التوزيع لإدارة الغاز عالي النقاء

الجزء ١: لماذا لا يمكن استبدال الهيليوم — ولماذا لا يمكن تصنيعه

تُعتبر الخصائص الفيزيائية الفريدة لهيليوم ضروريةً لا غنى عنها في نطاق واسعٍ من الصناعات بشكلٍ مفاجئ. وبما أن درجة غليانه تبلغ -269°م، فهو المادة الوحيدة القادرة على تبريد المغناطيسات فائقة التوصيل في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ومُسرِّعات الجسيمات إلى درجات الحرارة التشغيلية المطلوبة. وبصفته أصغر جزيء غاز خاملٍ وأخفها وزنًا، يُستخدم الهيليوم كأفضل غازٍ كاشفٍ للكشف عن التسريبات — وهي وظيفةٌ بالغة الأهمية للتحقق من سلامة أنظمة الوقود في المركبات، والمكونات الجوية والفضائية، وغرف عمليات أشباه الموصلات، وتغليف الأجهزة الطبية. وفي مجال اللحام، تؤدي التوصيلية الحرارية العالية للهيليوم إلى اختراقٍ أعمق وسرعات انتقالٍ أسرع عند لحام الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك التفاعلية. أما في كروماتوغرافيا الغازات، فإن خاصيته الخاملة تجعله الغاز الحامل الأمثل للتحليل.

ما يجعل الهيليوم عُرضةً لخطر استراتيجي هو سلسلة توريدِه. فعلى مدى ملايين السنين، يتكون الهيليوم نتيجة التحلل الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم في أعماق قشرة الأرض. ويَتجمّع في نفس المصائد الجيولوجية التي يَتجمّع فيها الغاز الطبيعي، الذي يُستخلص منه الهيليوم بتركيزات تتراوح عادةً بين ٠,١٪ و٠,٥٪ — أي أن ٩٩,٥٪ إلى ٩٩,٩٪ مما يخرج من بئر غازٍ يحتوي على الهيليوم هو ميثان. ولا توجد سوى حفنةٍ قليلةٍ من مرافق معالجة الغاز الطبيعي في جميع أنحاء العالم المزودة بمصانع لاستخلاص الهيليوم وتسييله. وعندما تتعرّض هذه المرافق لاضطرابات تشغيلية أو عدم استقرار سياسي أو نضوب للموارد، فلا يوجد مصدر إنتاج بديل يمكنه سدّ الفجوة.

حقل كلايفسايد في تكساس التابع لمكتب إدارة الأراضي الأمريكي — الذي يُعَدّ العمود الفقري التاريخي لإمدادات الهيليوم العالمية — يشهد تراجعًا تدريجيًّا منذ سنوات. أما الآن، فقد باتت مصنع راس لفان في قطر، ومجمع آمور في روسيا، وعددٌ صغير من المرافق في الجزائر وأستراليا، هي التي تحمِل عبء إمدادات الهيليوم العالمية. وكلٌّ من هذه المصادر يواجه قيودًا جيوسياسيةً ومنطقيةً وفنيةً خاصةً به. والنتيجة هي سوق عالمية للهيليوم تتقلب فيها الأسعار الفورية بنسبة ٢٠٠–٤٠٠٪ فوق أسعار العقود، وتُستَخدم بنود القوة القاهرة بشكلٍ متزايد.

الجزء الثاني: كيف يعمل استرجاع الهيليوم — العملية ذات المراحل الثلاث

استرجاع الهيليوم ليس جهازًا واحدًا، بل هو نظام متكامل يؤدي ثلاث وظائف متتالية: الالتقاط، والتنقية، وإعادة الضغط.

الالتقاط يعني جمع الهيليوم عند كل نقطة استخدامٍ قبل أن يُطلق في الجو. وفي محطة اختبار التسرب، يعني ذلك توجيه غاز العادم من غرفة الاختبار المملوءة بالهيليوم إلى مجمعٍ مركزي بدلًا من إطلاقه في الغرفة. أما في مختبر كروماتوغرافيا الغاز - مطيافية الكتلة (GC-MS)، فيعني ذلك التقاط تدفق غاز الناقل الخارج. وفي خلية لحام الليزر، يعني جمع غاز الحماية الهيليومي الذي كان سيتبخّر دون استغلال. والتحدي الهندسي في هذه المرحلة هو إحكام الإغلاق ضد التسرب؛ إذ لا تكون أي منظومة استرجاع فعّالة إلا بمقدار أضعف وصلةٍ فيها. ويجب أن تحافظ كل تركيبة وصمام ووصلة في شبكة الجمع على إحكامٍ تامٍّ ضد تسرب الهيليوم على مستوى دون الميكرون، لأن أي تسرب بنسبة ٠,١٪ عبر تشغيلٍ مستمرٍ على مدار ٢٤ ساعة/٧ أيام في الأسبوع قد يعادل خسارة آلاف الدولارات سنويًّا من الهيليوم.

تُعَدُّ مرحلة التنقية أكثر المراحل تقنيًّا تعقيدًا. فغاز الهيليوم المستعاد ليس نقيًّا أبدًا؛ إذ يحتوي على النيتروجين والأكسجين اللذين يتسربان من الهواء المحيط، والرطوبة الناتجة عن الرطوبة الجوية، وبخار الزيت الناجم عن تزييت الضواغط إذا استُخدمت ضواغط مزودة بالزيت في المرحلة السابقة، إضافةً إلى الهيدروكربونات العضوية النزرة الناتجة عن تلوث العملية. ويعتمد درجة النقاء المطلوبة على نوع الاستخدام: فهيليوم درجة أشباه الموصلات يتطلب نقاءً بنسبة ٩٩,٩٩٩٪ (٥N) مع رطوبة أقل من ١٠ أجزاء في البليون، بينما قد تقبل عمليات اختبار التسريب الصناعي نقاءً بنسبة ٩٩,٥٪. وتتكوّن سلسلة التنقية النموذجية عادةً من ثلاث تقنيات متتالية: فلاتر تجميعية لإزالة الأيروسولات والجسيمات، وأسرّة امتزاز تغيّر الضغط (PSA) أو وحدات غشائية لفصل النيتروجين والأكسجين الكميّين، ومحرّكات تنقية حرارية عالية الحرارة لإتمام عملية التلميع النهائي على المستوى النزري.

تُعيد عملية إعادة الضغط الهيليوم النقي إلى الضغط المطلوب من قبل المعدات اللاحقة — وهو ما يتراوح بين ١٠ بار لرؤوس التوزيع المخبرية و٢٠٠ بار لملء الأسطوانات عالية الضغط والتخزين. ويُعد الضغط الخالي من الزيوت ضروريًّا في هذه المرحلة، لأن أي تلوث بالمواد التشحيمية سيُلغي جهود التنقية وربما يُلحق الضرر بأجهزة التحليل أو المعدات العملية اللاحقة.

الجزء الثالث: الجدوى الاقتصادية للاسترجاع — فترة استرداد أقصر مما يتوقعه معظم المشغلين

لقد تَحسَّنَتْ حالة الجدوى الاقتصادية لاسترجاع الهيليوم بشكلٍ كبيرٍ خلال السنوات الثلاث الماضية. فقد ينفق مستخدم صناعي متوسط الحجم يستهلك ١٠٠٠ متر مكعب من الهيليوم سنويًّا في اختبارات الكشف عن التسربات ما بين ٣٠٠٠٠ و٥٠٠٠٠ وحدة نقدية سنويًّا وفق أسعار العقود الحالية — بل وقد ينفق أكثر من ذلك بكثيرٍ إذا اضطر إلى شراء الهيليوم من السوق الفورية أثناء فترات تقليص التخصيصات. أما نظام الاسترجاع المصمم تصميمًا سليمًا والذي يلتقط ٨٥–٩٥٪ من كمية الهيليوم المستخدمة، فيقلِّل المتطلبات السنوية من الغاز المُكمِّل إلى ما بين ٥٠ و١٥٠ مترًا مكعبًا. وبهذه النسبة من الاسترجاع، انخفضت فترات استرداد تكلفة النظام من ٣–٥ سنواتٍ كانت سائدة تاريخيًّا إلى ١٢–١٨ شهرًا في العديد من المناطق.

تصبح الجدوى الاقتصادية أكثر إقناعًا عندما نأخذ أمن التوريد في الاعتبار. فالتقليص المفاجئ في تخصيص الهيليوم — أي خفض مورد الغاز لحجم التسليم بنسبة ٣٠٪ أو ٥٠٪ أو أكثر بإشعار قصير — قد يؤدي إلى إيقاف خط إنتاج كامل. وعادةً ما تكون تكلفة الإنتاج الضائع أكبر بكثير من تكلفة الهيليوم نفسه. وبفضل القدرة على الاسترجاع، يتحول الهيليوم من مادة استهلاكية خاضعة لقيود التوريد إلى أصل قابل لإعادة الاستخدام، مما يحمي العمليات من تقلبات السوق.

الجزء الرابع: هل عملياتك جاهزة لاسترجاع الهيليوم؟

ليس كل مستخدم للهيليوم بحاجةٍ اليوم إلى نظام استرجاع كامل. ويعتمد هذا القرار على ثلاثة عوامل: حجم استهلاك الهيليوم السنوي، ومخاطر عدم انتظام التوريد في منطقتك، ومتطلبات النقاء الخاصة بالتطبيقات التي تستخدمها.

قد تجد العمليات التي تستهلك أقل من ٢٠٠ متر مكعب سنويًّا، والتي تعتمد على إمدادات عقدية مستقرة، أن فترات استرداد التكلفة تظل طويلة جدًّا لتبرير الاستثمار الرأسمالي. أما العمليات التي تستهلك ما بين ٥٠٠ و٢٠٠٠ متر مكعب أو أكثر سنويًّا، وبخاصة تلك الواقعة في المناطق التي تشهد تقلبات في الإمدادات، أو التي تترتب على توقف الإنتاج فيها خسائر تصل إلى ستة أو سبعة أرقام، فيجب أن تبدأ الآن في تقييم خيارات الاسترجاع — قبل أن تُجبرها قطعات التخصيص على اتخاذ قرار متسرّع.

النقطة الموصى بها للبدء هي إجراء تدقيق لاستهلاك الهيليوم: وهو مسح منهجي لكافة نقاط استخدام الهيليوم، ومعدلات التدفق الفعلية، وأنماط الاستهلاك خلال الورديات والمواسم المختلفة، والمتطلبات الخاصة بنقاء الهيليوم حسب كل تطبيق. وهذه البيانات لا تُكوّن فقط حالة العمل الداخلية المُبرِّرة للاستثمار، بل توفر أيضًا المواصفات التي يجب أن تحققها أي منظومة لاسترجاع الهيليوم.

بالنسبة للمنظمات التي ترغب في استكشاف استرجاع الهيليوم، فإن التعاون مع متخصصي هندسة أنظمة الغاز الذين يمتلكون فهمًا عميقًا لمعالجة الغاز عالي النقاء — بدلًا من مورِّدي المعدات الصناعية العامة — يقلل من مخاطر التكامل. ويجب أن يتم تصميم شبكة التقاط نظام الاسترجاع، وسلسلة تنقية الغاز، ومرحلة إعادة الضغط وفقًا لمعايير متسقة جدًّا من حيث إحكام الإغلاق ومن حيث توافق المواد المستخدمة. أما الشركات التي أثبتت خبرتها في مجال توصيل الغاز ذي الدرجة شبه الموصلة، وتوزيع الغاز المختبري، وأنظمة توزيع الغاز الصناعي عبر وحدات التوزيع المتعددة (Manifold)، فهي تمتلك أبرز المهارات القابلة للنقل مباشرةً إلى مشاريع استرجاع الهيليوم.

وبينما يتحول الهيليوم من غاز صناعي رخيص ووفير إلى مورد استراتيجي يعاني من قيود في التوريد، أصبحت تكنولوجيا استرداده تنتقل من كونها خياراً اختيارياً إلى ضرورة حتمية. فالمنظمات التي تبني هذه القدرات الآن ستحصل على ميزة تكلفةٍ وضمانٍ لاستمرارية العمليات، بينما لن يتمكّن منافسوها — الذين ما زالوا ينتظرون عودة سوق الهيليوم إلى "حالتها الطبيعية" — من تحقيق ذلك.

جهة الاتصال الإعلامية وملف الشركة التعريفي شركة شينتشن ووفلي التكنولوجية المحدودة هي شركة مصنِّعة معتمدة من قبل منظمة التقييس الدولية (ISO) منذ ١٥ عامًا، وتتخصص في مكونات أنظمة الغاز الصناعي، ولها خبرة عميقة في تنظيم ضغط الغاز عالي النقاء، والصمامات الدقيقة، وتصميم خزائن الغاز، ودمج أنظمة التوزيع المتعددة. ويشمل محور منتجات العلامة التجارية «AFKLOK» منظمات الضغط، والصمامات، ووصلات الضغط، وخزائن الغاز، وأنظمة التوزيع المتعددة التي تخدم قطاعات أشباه الموصلات، والمختبرات، والرعاية الصحية، والطاقة الجديدة في أكثر من ٣٠ دولة. ولإجراء عمليات تدقيق استهلاك الهيليوم، أو تقييم جدوى استرداده، أو الاستشارة الفنية، يُرجى التواصل مع فريق هندسة أنظمة الغاز التابع لعلامة «AFKLOK».