O hélio é um elemento químico com o símbolo He e número atômico 2. É um gás atmosférico raro, incolor, insípido, não tóxico, não inflamável e pouco solúvel em água. A concentração de hélio na atmosfera é de 5,24 x 10⁻⁴ em porcentagem de volume. Possui os pontos de fusão e ebulição mais baixos de todos os elementos e existe apenas como gás, exceto em condições de frio extremo.

O hélio é transportado principalmente na forma gasosa ou líquida e é utilizado em reatores nucleares, semicondutores, lasers, lâmpadas, supercondutividade, instrumentação, fibras ópticas, criogenia, ressonância magnética e pesquisa em laboratórios de P&D.

Fonte fria de baixa temperatura

O hélio é utilizado como refrigerante criogênico em diversas fontes de resfriamento criogênico, como ressonância magnética (RM), espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), aceleradores quânticos de partículas supercondutores, o Grande Colisor de Hádrons (LHC), interferômetros SQUID, ressonância de spin eletrônico (RSE), armazenamento de energia magnética supercondutora (SMES), geradores supercondutores MHD, sensores supercondutores, transmissão de energia, transporte por levitação magnética (maglev), espectrômetros de massa, ímãs supercondutores, separadores de campo magnético intenso, ímãs supercondutores de campo anular para reatores de fusão e outras pesquisas criogênicas. O hélio resfria materiais e ímãs supercondutores criogênicos a temperaturas próximas do zero absoluto, ponto em que a resistência do supercondutor cai repentinamente para zero. A baixíssima resistência de um supercondutor cria um campo magnético mais potente. No caso de equipamentos de RM utilizados em hospitais, campos magnéticos mais intensos produzem imagens radiográficas com maior detalhamento.

O hélio é usado como super-refrigerante porque possui os pontos de fusão e ebulição mais baixos, não se solidifica à pressão atmosférica e a 0 K, e é quimicamente inerte, tornando praticamente impossível sua reação com outras substâncias. Além disso, o hélio se torna superfluido abaixo de 2,2 Kelvin. Até o momento, essa ultramobilidade única não foi explorada em nenhuma aplicação industrial. Em temperaturas abaixo de 17 Kelvin, não há substituto para o hélio como refrigerante em fontes criogênicas.

Aeronáutica e Astronáutica

O hélio também é usado em balões e dirigíveis. Por ser mais leve que o ar, o hélio é inflado em dirigíveis e balões. Ele tem a vantagem de não ser inflamável, embora o hidrogênio seja mais flutuante e tenha uma taxa de escape menor da membrana. Outro uso secundário é na tecnologia de foguetes, onde o hélio é usado como fluido de perda para deslocar o combustível e o oxidante nos tanques de armazenamento e para condensar hidrogênio e oxigênio, produzindo combustível para foguetes. Também pode ser usado para remover combustível e oxidante dos equipamentos de apoio em solo antes do lançamento e para pré-resfriar o hidrogênio líquido na espaçonave. No foguete Saturno V, usado no programa Apollo, eram necessários cerca de 370.000 metros cúbicos (13 milhões de pés cúbicos) de hélio para o lançamento.

Detecção e análise de vazamentos em dutos

Outra aplicação industrial do hélio é a detecção de vazamentos. A detecção de vazamentos é utilizada para identificar vazamentos em sistemas que contêm líquidos e gases. Como o hélio se difunde através de sólidos três vezes mais rápido que o ar, ele é usado como gás traçador para detectar vazamentos em equipamentos de alto vácuo (como tanques criogênicos) e recipientes de alta pressão. O objeto é colocado em uma câmara, que é então evacuada e preenchida com hélio. Mesmo com taxas de vazamento tão baixas quanto 10⁻⁹ mbar•L/s (10⁻¹⁰ Pa•m³/s), o hélio que escapa pelo vazamento pode ser detectado por um dispositivo sensível (um espectrômetro de massa de hélio). O procedimento de medição geralmente é automatizado e é chamado de teste de integração de hélio. Outro método, mais simples, consiste em preencher o objeto em questão com hélio e procurar manualmente por vazamentos usando um dispositivo portátil.

O hélio é usado para detecção de vazamentos por ser a menor molécula e monoatômica, o que facilita seus vazamentos. Durante o processo, o gás hélio é injetado no objeto e, caso ocorra um vazamento, o espectrômetro de massa de hélio consegue detectar sua localização. O hélio pode ser usado para detectar vazamentos em foguetes, tanques de combustível, trocadores de calor, gasodutos, componentes eletrônicos, tubos de televisão e outros componentes industriais. A detecção de vazamentos com hélio foi utilizada pela primeira vez durante o Projeto Manhattan para detectar vazamentos em usinas de enriquecimento de urânio. O hélio pode ser substituído por hidrogênio, nitrogênio ou uma mistura de ambos.

Soldagem e Metalurgia

O gás hélio é usado como gás de proteção na soldagem a arco e na soldagem a arco plasma devido à sua maior energia potencial de ionização em comparação com outros átomos. O gás hélio ao redor da solda impede a oxidação do metal no estado fundido. A alta energia potencial de ionização do hélio permite a soldagem a arco plasma de metais diferentes usados ​​na construção civil, naval e aeroespacial, como titânio, zircônio, magnésio e ligas de alumínio. Embora o hélio no gás de proteção possa ser substituído por argônio ou hidrogênio, alguns materiais (como o titânio-hélio) não podem ser substituídos na soldagem a arco plasma, pois o hélio é o único gás seguro em altas temperaturas.

Uma das áreas de desenvolvimento mais ativas é a soldagem de aço inoxidável. O hélio é um gás inerte, o que significa que não sofre reações químicas quando exposto a outras substâncias. Essa característica é particularmente importante em gases de proteção para soldagem.

O hélio também conduz bem o calor. É por isso que é comumente usado em soldagens onde é necessário um aporte térmico maior para melhorar a molhabilidade da solda. O hélio também é útil para acelerar o processo.

O hélio é geralmente misturado com argônio em proporções variáveis ​​na mistura de gases protetores para aproveitar ao máximo as boas propriedades de ambos os gases. O hélio, por exemplo, atua como um gás protetor, auxiliando na obtenção de modos de penetração mais amplos e superficiais durante a soldagem. No entanto, o hélio não proporciona a mesma capacidade de limpeza que o argônio.

Como resultado, os fabricantes de metais frequentemente consideram a mistura de argônio com hélio como parte de seu processo de trabalho. Para soldagem a arco com eletrodo revestido, o hélio pode representar de 25% a 75% da mistura gasosa de hélio/argônio. Ao ajustar a composição da mistura de gás protetor, o soldador pode influenciar a distribuição de calor da solda, o que, por sua vez, afeta o formato da seção transversal do metal de solda e a velocidade de soldagem.

Indústria de semicondutores eletrônicos

Por ser um gás inerte, o hélio é tão estável que praticamente não reage com outros elementos. Essa propriedade permite seu uso como proteção em soldagem a arco (para evitar a contaminação por oxigênio do ar). O hélio também possui outras aplicações importantes, como na fabricação de semicondutores e fibras ópticas. Além disso, pode substituir o nitrogênio em mergulhos profundos, prevenindo a formação de bolhas de nitrogênio na corrente sanguínea e, consequentemente, o mal do mergulho.

Volume global de vendas de hélio (2016-2027)

O mercado global de hélio atingiu US$ 1.825,37 milhões em 2020 e a previsão é de que alcance US$ 2.742,04 milhões em 2027, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 5,65% (2021-2027). O setor apresenta grande incerteza nos próximos anos. Os dados de previsão para o período de 2021 a 2027 apresentados neste estudo baseiam-se no histórico de desenvolvimento dos últimos anos, nas opiniões de especialistas do setor e nas análises dos especialistas consultados neste documento.

A indústria do hélio é altamente concentrada, extraída de recursos naturais e possui um número limitado de fabricantes globais, principalmente nos Estados Unidos, Rússia, Catar e Argélia. No mundo, o setor consumidor está concentrado nos Estados Unidos, China e Europa, entre outros. Os Estados Unidos têm uma longa história e uma posição inabalável na indústria.

Muitas empresas possuem diversas fábricas, mas geralmente elas não estão localizadas próximas aos seus mercados consumidores-alvo. Portanto, o custo de transporte do produto é elevado.

Nos primeiros cinco anos, a produção cresceu muito lentamente. O hélio é uma fonte de energia não renovável e existem políticas em vigor nos países produtores para garantir seu uso contínuo. Alguns preveem que o hélio se esgotará no futuro.

O setor apresenta uma alta proporção de importações e exportações. Quase todos os países utilizam hélio, mas apenas alguns possuem reservas desse metal.

O hélio tem uma ampla gama de aplicações e estará disponível em cada vez mais setores. Dada a escassez de recursos naturais, a demanda por hélio provavelmente aumentará no futuro, exigindo alternativas adequadas. Os preços do hélio devem continuar subindo de 2021 a 2026, de US$ 13,53/m³ (2020) para US$ 19,09/m³ (2027).

O setor é afetado por fatores econômicos e políticos. Com a recuperação da economia global, aumenta a preocupação das pessoas com a melhoria dos padrões ambientais, especialmente em regiões subdesenvolvidas com grandes populações e rápido crescimento econômico, o que impulsionará a demanda por hélio.

Atualmente, os principais fabricantes globais incluem Rasgas, Linde Group, Air Chemical, ExxonMobil, Air Liquide (Dz) e Gazprom (Ru), entre outros. Em 2020, a participação de mercado dos 6 maiores fabricantes deverá ultrapassar 74%. Espera-se que a concorrência no setor se intensifique nos próximos anos.

Equipamentos Criogênicos HL

Devido à escassez de recursos de hélio líquido e ao aumento do preço, é importante reduzir as perdas e otimizar a recuperação do hélio líquido durante seu uso e transporte.

A HL Cryogenic Equipment, fundada em 1992, é uma marca afiliada à HL Cryogenic Equipment Company (Cryogenic Equipment Co., Ltd.). A HL Cryogenic Equipment dedica-se ao projeto e fabricação de sistemas de tubulação criogênica com isolamento a alto vácuo e equipamentos de suporte relacionados, para atender às diversas necessidades dos clientes. Os tubos e mangueiras flexíveis com isolamento a vácuo são fabricados com materiais isolantes especiais de múltiplas camadas e telas, submetidos a uma série de tratamentos técnicos extremamente rigorosos e tratamento a alto vácuo. São utilizados para a transferência de oxigênio líquido, nitrogênio líquido, argônio líquido, hidrogênio líquido, hélio líquido, etileno liquefeito (LEG) e gás natural liquefeito (GNL).

A linha de produtos da HL Cryogenic Equipment Company, composta por tubos com revestimento a vácuo, mangueiras com revestimento a vácuo, válvulas com revestimento a vácuo e separadores de fase, passou por uma série de rigorosos tratamentos técnicos e é utilizada para a transferência de oxigênio líquido, nitrogênio líquido, argônio líquido, hidrogênio líquido, hélio líquido, LEG e GNL. Esses produtos são utilizados em equipamentos criogênicos (como tanques criogênicos, dewars e coldboxes, etc.) em diversos setores, como separação de ar, gases, aviação, eletrônica, supercondutores, chips, montagem de automação, alimentos e bebidas, farmacêutico, hospitalar, biobancos, borracha, fabricação de novos materiais, engenharia química, siderurgia e pesquisa científica, entre outros.

A HL Cryogenic Equipment Company tornou-se fornecedora qualificada da Linde, Air Liquide, Air Products (AP), Praxair, Messer, BOC, Iwatani e Hangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang), entre outras.