L’hélium (He) est un élément chimique portant le numéro atomique 2 dans le tableau périodique. Ce gaz noble possède le point d’ébullition le plus bas parmi tous les éléments connus. Il ne peut se solidifier que sous une pression dépassant les 25 atm. En termes d’abondance dans l’Univers, l’hélium est classé juste derrière l’hydrogène. En effet, le Bureau of Land Management des États-Unis de 2006 estimait qu’il existe 52 milliards de mètres cubes de cet élément sur la planète. Une grande partie de cet hélium provient de la nucléosynthèse primordiale, mais divers autres processus permettent d’en produire (la radioactivité α par exemple). Cet élément chimique est utilisé dans de nombreux domaines d’activité tels que l’industrie, l’aérospatial, le commerce et la médecine.
Cet élément chimique possède huit isotopes, mais deux d’entre eux seulement sont stables, en l’occurrence :
Les autres isotopes sont particulièrement instables. D’ailleurs, certains se désintègrent juste après leur formation.
Sur la Terre, l’hélium 4 est largement plus abondant que l’hélium 3. Dans l’atmosphère, il existe un million d’atomes de 4He pour un atome de 3He seulement. L’abondance isotopique de l’hélium dépend grandement de son origine et de ses processus de formation. C’est l’une des caractéristiques qui le distingue de la plupart des éléments. L’hélium 4 se forme notamment par la radioactivité α d’éléments lourds. En effet, les particules α qui y sont générées forment les noyaux d’hélium 4 entièrement ionisés. Grâce à ses nucléons disposés en couches complètes, cet isotope présente une grande stabilité.
Dans l’Univers, la majorité de l’hélium (presque le 1⁄4 de toute la matière) est produite par la nucléosynthèse primordiale. Cette dernière fait référence à un événement de synthèse de noyaux atomiques qui s’est passé lors de la formation de l’Univers. Le reste de cet élément chimique a été ou est formé lors de la nucléosynthèse stellaire (ensemble des réactions de fusion nucléaire dans les étoiles).
II existe seulement des traces de 3He sur la Terre. La plupart d’entre elles remontent donc à la période de la formation de notre planète. Certaines ont été piégées dans la poussière interstellaire et retombent encore de l’espace jusqu’à notre ère. Il convient cependant de préciser qu’une partie de l’hélium 3 existant est issue de la radioactivité β du tritium.
Cet isotope abonde davantage dans les étoiles. Même s’il est formé au cours de la fusion nucléaire, les étoiles en relâchent seulement une petite quantité. Cela résulte du fait que le 3He est aperçu uniquement dans une chaîne intermédiaire conduisant au 4He. Sa quantité diminue ainsi tout au long de sa production dans les étoiles. D’ailleurs, son rapport isotopique dans le milieu interstellaire est cent fois plus important que sur la Terre.
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.
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).
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).
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.
Dans des conditions normales, l’hélium neutre est sans toxicité. Il n’a aucune propriété biologique particulière. Il est présent dans le sang humain, mais seulement à l’état de traces.
Lorsqu’une personne inhale de l’hélium, on constate un changement passager de sa voix (du timbre vers des harmoniques élevées). En cause, la densité de cet élément chimique est trois fois inférieure à celle de l’air. La vitesse du son augmente donc, entraînant une hausse des fréquences de résonance de l’appareil phonatoire. Cela modifie ensuite la fréquence fondamentale émise par les cordes vocales. Il est à noter cependant que l’inhalation d’un gaz plus dense (l’hexafluorure de soufre par exemple) peut provoquer une baisse de timbre.
Inhaler un peu d’hélium pur qui est un gaz inerte ne comporte aucun danger. En revanche, l’usage de l’hélium commercial n’est pas sans risque. Ce dernier peut, en effet, contenir des contaminants, des aérosols d’huile lubrifiante et divers autres gaz dangereux.
Une personne s’expose également à un danger lorsque :
Dans ce dernier cas, le débit élevé de ce gaz est susceptible d’entraîner un barotraumatisme. Cette lésion peut conduire à une déchirure du tissu pulmonaire qui peut être fatal. Aux États-Unis, ce type d’accident a causé deux décès entre 2000 et 2004.
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.
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.
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.
Cet élément chimique peut se présenter sous plusieurs différentes formes (corps simple, plasma, gaz, liquide, solide ou superfluide).
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.
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.
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.
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.
Lorsque le point d’ébullition est inférieur à 4,22 K et que le point lambda est supérieur à 2,176 8 K, l’hélium 4 prend la forme d’un liquide normal et transparent. Ce liquide cryogénique est connu sous le nom de l’hélium I. Lorsqu’il est chauffé, il bout. Lorsque la température diminue, il se contracte. L’hélium I affiche un indice de réfraction proche de celui des gaz qui est à 1,026. Sa surface n’est pas facile à voir. C’est pourquoi les professionnels y mettent des flotteurs de mousse de polystyrène qui permettent de surveiller rapidement son niveau.
La viscosité de ce liquide incolore est extrêmement faible. Sa densité se situe à 0,125 = 1/8. C’est seulement un quart de la valeur indiquée par la physique classique. Il est à noter que l’hélium conserve son état liquide jusqu’au zéro absolu et à des pressions en dessous de 25 atm. Cette caractéristique le distingue des autres éléments chimiques. Le niveau d’énergie trop élevé de ses atomes dans l’état fondamental empêche sa solidification.
En dessous du point lambda, l’hélium liquide se transforme en superfluide, appelé « hélium II ». Cela est dû à la dilatation de cet élément chimique. Au cours de la baisse de la température, l’hélium II poursuit sa dilatation. À une température égale ou inférieure à 1 K, il commence à se contracter.
L’écoulement de ce superfluide à travers des capillaires entre 10-7 et 10-8 m est possible, mais la viscosité n’est pas mesurable. Toutefois, lorsque les chercheurs mesurent la viscosité entre deux disques qui tournent l’un par rapport à l’autre, ils distinguent une viscosité similaire à celle de l’hélium gazeux. Ce fait peut théoriquement être expliqué en employant un « modèle à deux fluides » de László Tisza pour l’hélium II.
L’hélium II présente une conductivité thermique plus élevée que celle de tous les corps connus. Ainsi, ce superfluide ne bout pas. Le transfert de tout apport de chaleur à la surface est vraiment rapide, entraînant seulement l’évaporation en gaz. Il est à noter que cette conductivité est un million de fois supérieure à celle de l’hélium liquide. Cette caractéristique est liée au fait que la conduction de la chaleur s’effectue par un mécanisme quantique exceptionnel.
Il convient de préciser que la majorité des matériaux jugés comme bons conducteurs thermiques disposent d’une bande de valence d’électrons libres. Ces derniers assurent la conduction de la chaleur. Pour l’hélium II, ce type de bande n’existe pas. Cependant, il constitue un bon conducteur de la chaleur. En pratique, dans cet hélium superfluide, le flux de chaleur se déplace à 20 m s−1 à 1,8 K. Les équations auxquelles il obéit sont comparables aux équations d’onde de la propagation du son dans l’air.
L’hélium II est tellement différent des liquides ordinaires. En effet, il peut ramper sur des surfaces. Il est même capable de contrer la gravité. Il peut s’échapper d’un contenant ouvert en rampant sur les côtés. Cependant, l’hélium II s’évapore lorsqu’il passe par un endroit moins froid. Sur tous les types de surface, il est capable de se déplacer en un film d’environ 30 nm (film de Rollin). À cause de la capacité de l’hélium II à s’échapper rapidement à travers de petites ouvertures, l’hélium liquide n’est pas facile à confiner. Le récipient doit ainsi être construit de manière à empêcher l’hélium II de traverser les vannes ou de s’évaporer dans les endroits plus chauds.
Dans tout l’Univers, l’hélium est classé au deuxième rang en termes d’abondance. Il représente 23 % de la masse baryonique. La plupart de cet élément a été formé par la nucléosynthèse primordiale suite au Big Bang. Pour cette raison, la mesure de son abondance est incluse dans le mode de calcul de certains paramètres des modèles cosmologiques.
L’hélium est en faible concentration dans l’atmosphère terrestre (5,2 x 10−6 en volume). La production continue de cet élément dans les roches et sa fuite vers l’espace sont bien équilibrées. Cela permet de garder presque constante cette concentration basse. En revanche, ce gaz noble est particulièrement abondant dans l’hétérosphère terrestre.
La majorité de l’hélium sur la Terre a été formée par radioactivité α (rayonnement provoqué par la désintégration α). Cet élément est surtout présent dans les composés d’uranium et de thorium, en l’occurrence la monazite, la pechblende et la carnotite. Les particules α émis par ces composés constituent les noyaux d’hélium ionisé He2+. Elles s’éliminent tout de suite avec des électrons.
Dans la lithosphère, la quantité de l’hélium produit annuellement s’établit à 3 000 t. Sa concentration en volume est estimée à 8 x 10−6 dans la croûte terrestre. Elle s’établit à seulement 4 x 10−12 dans l’eau de mer. Cet élément est également présent en faibles quantités dans les eaux minérales, le fer météorique et les gaz volcaniques.
Tout comme le gaz naturel, l’hélium est emprisonné par les couches de roches imperméables. C’est pourquoi il est disponible en grandes concentrations dans les gisements de gaz naturel. Ainsi, l’hélium proposé en vente y provient en grande partie.
La concentration en volume de l’hélium et celle du gaz naturel sont différentes de seulement quelques parties par million. Une concentration de 7 % est découverte dans le comté de San Juan, au Nouveau-Mexique.
Pour des usages industriels, l’extraction de l’hélium est effectuée par distillation fractionnée du gaz naturel. Ce dernier peut en renfermer 7 % au maximum. Du fait du point d’ébullition bas de l’hélium, les autres gaz tels que le méthane et le diazote doivent être soumis à une haute pression et à une basse température pour liquéfier.
Par exposition à des températures qui baissent de plus en plus, l’hélium brut extrait est purifié. En effet, les autres gaz sont pratiquement évacués. Enfin, du charbon actif est utilisé lors de la phase finale de la purification. On obtient ainsi de l’hélium à 99,995 % pur.
Le néon constitue la principale impureté de l’hélium de qualité A. Afin de compléter la purification, l’hélium produit est majoritairement liquéfié. Dans ce cas, le processus utilisé est la cryogénie.
Pour les applications qui nécessitent de l’hélium liquide, la liquéfaction est de mise. D’ailleurs, ce procédé réduit le coût de transport à la charge des fournisseurs d’hélium. Les réservoirs d’hélium liquide sont cinq fois plus grands que les remorques qui transportent des cylindres d’hélium gazeux sous pression.
En 2005, près de 160 millions de mètres cubes d’hélium étaient extraits du gaz naturel ou exploités dans des réserves. Ces opérations d’extraction se passaient aux États-Unis (83 %), en Algérie (11 %), en Russie et en Pologne. Sur le territoire américain, la majorité de l’hélium était extraite du gaz naturel Hugoton et de gisements situés au Texas, au Kansas et en Oklahoma.
L’hélium peut également être extrait et purifié en diffusant le gaz naturel brut à travers des membranes semi-perméables et d’autres barrières. D’ailleurs, il est possible de le synthétiser en bombardant du bore ou du lithium à l’aide des protons hautement chargés en énergie. Cependant, cette méthode reste peu avantageuse en termes de coût.
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.
L’hélium est vendu sous forme liquide et gazeuse sur le marché. On peut notamment trouver :
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.
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 :
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.
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 ».
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.
Grâce à son incombustibilité et à sa faible densité, l’hélium est parfait pour gonfler des dirigeables (un dirigeable publicitaire par exemple). En raison de sa légèreté, des professionnels l’emploient pour faire flotter des dirigeables et des ballons libres ou captifs. D’ailleurs, l’hélium est incombustible, voire ignifuge. Ainsi, on le préfère à l’hydrogène bien que celui-ci possède une force portante à 7 % plus élevée. Il est également à préciser que les ballons-sondes utilisés en météorologie sont gonflés à l’hélium. Ces équipements servent à explorer l’atmosphère.
L’usage de l’hélium s’étend au domaine de la technique des fusées. Il constitue un milieu de déplacement afin de contrôler, via pressurisation, le comburant et le combustible dans les réservoirs en microgravité. Cela permet aussi de garantir le mélange d’hydrogène et de dioxygène qui sert à alimenter les tuyères de propulsion. Lorsque la fusée est encore au sol, l’hélium est utilisé pour purger ces substances avant son lancement. Il sert également à pré-refroidir l’hydrogène liquide des véhicules spatiaux. À titre d’exemple, lors de son décollage, la fusée Saturn V affichait une consommation d’environ 370 000 m3 d’hélium.
Au fil des années, cet élément chimique a été l’objet de la recherche de nombreux scientifiques.
L’hélium a été découvert par l’astronome français Jules Janssen lors d’une éclipse totale à Guntur, en Inde, le 18 août 1868. Il avait observé une raie jaune étincelante à une longueur d’onde de 587,49 nm dans le spectre de la chromosphère du Soleil. À cette époque, il ne savait pas encore que c’était de l’hélium.
Le 20 octobre 1868, l’astronome anglais Norman Lockyer avait aussi aperçu une raie jaune dans le spectre solaire. Il l’avait baptisée « raie de Fraunhofer D3 » du fait de sa grande ressemblance aux fameuses raies D1 et D2 du sodium. Cette raie serait issue d’un élément du Soleil inconnu sur la Terre.
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.
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.
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).
L’hélium était fortement sollicité durant les périodes de guerre. De petites quantités étaient néanmoins allouées à des utilisations civiles et commerciales.
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 1er 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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