Hélium - Définition

Histoire

Découverte

La première indication de l'hélium est observée le 18 août 1868, comme une raie jaune brillante à une longueur d'onde de 587,49 nm dans le spectre de la chromosphère du Soleil. Cette raie est détectée par l'astronome français Jules Janssen pendant une éclipse totale à Guntur (Inde). Au début, on pense que cette raie est celle du sodium. Le 20 octobre de la même année, l'astronome anglais Norman Lockyer observe une raie jaune dans le spectre solaire, qu'il appelle raie de Fraunhofer D₃, en raison de sa proximité avec les raies bien connues D₁ et D₂ du sodium. Il en conclut qu'elle est provoquée par un élément du Soleil inconnu sur Terre. Lockyer et le chimiste anglais Edward Frankland nomment cet élément d'après le mot grec pour Soleil, ἥλιος (hélios).

En 1882, Luigi Palmieri réussit pour la première fois à démontrer la présence d'hélium sur la Terre, par l'analyse spectrale de la lave du Vésuve.

Raies spectrales de l'hélium

Le 26 mars 1895, le chimiste britannique Sir William Ramsay isole l'hélium sur Terre en traitant la clévéite (une variété de pechblende, contenant au moins 10 % de terres rares) avec des acides minéraux. Ramsay cherchait de l'argon, mais, après avoir séparé le diazote et le dioxygène du gaz libéré par l'acide sulfurique, il remarque au spectroscope une raie jaune brillante qui coïncide avec la raie D₃ observée dans le spectre solaire.

Ces échantillons sont identifiés comme étant de l'hélium par Lockyer et le physicien britannique William Crookes. Indépendamment, il est isolé de la clévéite la même année par les chimistes Per Theodor Cleve et Abraham Langlet à Uppsala, qui accumulent suffisamment de gaz pour pouvoir déterminer avec précision sa masse atomique.

L'hélium avait aussi été isolé par le géochimiste américain William Francis Hillebrand, quelques années avant la découverte par Ramsay, en remarquant des raies spectrales inhabituelles à l'examen d'un échantillon d'uraninite. Mais Hillebrand attribue ces raies au diazote. Sa lettre de félicitations à Ramsay présente un cas intéressant de découverte et de presque-découverte en science.

En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds démontrent que les particules α sont des noyaux d'hélium, en permettant aux particules de pénétrer à travers une fine fenêtre en verre d'un tube où ils ont fait le vide, puis créant une décharge dans le tube pour étudier le spectre du nouveau gaz qui s'y trouve. En 1908, l'hélium est liquéfié pour la première fois par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, en refroidissant le gaz au-dessous de 1 K. Il essaie de le solidifier en baissant encore la température, mais échoue, puisque l'hélium n'a pas de point triple. C'est un étudiant d'Onnes, Willem Hendrik Keesom, qui arrive à solidifier sous pression 1 cm³ d'hélium en 1926.

En 1938, le physicien soviétique Pyotr Leonidovitch Kapitsa découvre que l'hélium 4 n'a presque pas de viscosité aux températures proches du zéro absolu, phénomène maintenant nommé superfluidité. En 1972, le même phénomène est observé dans l'hélium 3, mais à une température bien plus proche du zéro absolu, par les physiciens américains Douglas D. Osheroff, David M. Lee, et Robert C. Richardson. Le phénomène dans l'hélium 3 est interprété comme la formation de paires d'atomes, qui sont des fermions, pour former des bosons, par analogie avec les paires de Cooper d'électrons à la base de la supraconductivité.

Production et usages

Après un forage pétrolier en 1903 à Dexter, Kansas, le jet de gaz produit était incombustible. Erasmus Haworth, le géologue de l'État du Kansas, collecta des échantillons du gaz produit et les rapporta à l'université du Kansas, Lawrence. Avec l'aide des chimistes Hamilton Cady et David McFarland, il détermina que le gaz était, en volume, 72 % de diazote, 15 % de méthane (un pourcentage combustible seulement avec plus de dioxygène) et 12 % de gaz non identifiable. Une analyse plus poussée montre à Cady et McFarland que 1,84 % de l'échantillon de gaz est de l'hélium. Ceci montre qu'en dépit de sa rareté globale sur Terre, l'hélium est concentré en grandes quantités sous les Grandes Plaines américaines et est disponible pour la production comme sous-produit de l'exploitation du gaz naturel. Les plus grandes réserves d'hélium sont dans le gisement d'Hugoton et dans les gisements voisins du Kansas du sud-ouest avec des prolongements au Texas et en Oklahoma.

Ceci a permis aux États-Unis de devenir le premier producteur d'hélium du monde. Suivant la suggestion de Sir Richard Threlfall, la marine des États-Unis subventionne trois petites usines expérimentales de production d'hélium pendant la Première Guerre mondiale. Le but est d'approvisionner les ballons captifs de barrage avec ce gaz ininflammable et plus léger que l'air. Un total de 5 700 m³ d'hélium à 92 % est produit par ce programme, malgré le fait que précédemment, moins de 100 l ait été produit au total. Une partie de ce gaz est utilisé pour le premier dirigeable gonflé à l'hélium dans le monde, le C-7 de la marine américaine, qui est inauguré pour son premier voyage de Hampton Roads en Virginie au terrain de Bolling à Washington le 1^er décembre 1921.

Bien que le procédé d'extraction par liquéfaction du gaz à basse température ne soit pas mis au point assez tôt pour jouer un rôle significatif pendant la Première Guerre mondiale, la production se poursuivra. L'hélium est utilisé en premier lieu pour gonfler les aérostats. Cet usage va accroître la demande pendant la Seconde Guerre mondiale, de même que la demande pour la soudure à l'arc.

Le spectromètre de masse à hélium est également vital pour le projet Manhattan de bombe atomique.

Le gouvernement des États-Unis crée en 1925 une Réserve Nationale d'Hélium à Amarillo, Texas, dans le but d'approvisionner les aérostats, militaires en temps de guerre, et civils en temps de paix. En raison de l'embargo militaire des États-Unis contre l'Allemagne, la fourniture d'hélium y a été restreinte et le Hindenburg a dû être gonflé à l'hydrogène, avec les conséquences catastrophiques qui s'ensuivirent lors de son incendie. La consommation d'hélium après la Seconde Guerre mondiale diminue, mais la réserve est augmentée dans les années 1950 pour assurer la fourniture d'hélium liquide pour le lancement des fusées pendant la course à l'espace et la guerre froide. En 1965, la consommation d'hélium des États-Unis dépasse huit fois le maximum qu'elle a atteint pendant le temps de guerre.

Après les Amendements sur les lois de l'hélium de 1960 (loi publique 86-777), le Bureau des mines des États-Unis met en place cinq usines privées pour l'extraction de l'hélium du gaz naturel. Pour ce programme de préservation de l'hélium, le Bureau construit un gazoduc de 684 km de Bushton, Kansas, à Cliffside, près d'Amarillo, gisement partiellement épuisé. Le mélange hélium-diazote ainsi apporté est injecté et stocké jusqu'au moment des besoins, quand il est extrait et purifié.

En 1995, un milliard de m³ de gaz ont été réunis mais la réserve a 1,4 milliard de dollars US de dettes, ce qui conduit le Congrès des États-Unis, en 1996, à faire cesser progressivement son activité. La Loi de privatisation de l'hélium de 1996 qui s'ensuit (Loi publique 104–273) enjoint le Département de l'Intérieur des États-Unis de commencer à vider la réserve en 2005.

L'hélium produit entre 1930 et 1945 était pur à environ 98,3 % (~ 2 % de diazote), ce qui convenait parfaitement pour les aérostats. En 1945, une petite quantité d'hélium à 99,9 % était produite pour l'utilisation pour la soudure à l'arc. Dès 1949, des quantités commerciales d'hélium de qualité A à 99,995 % étaient disponibles.

Pendant plusieurs années, les États-Unis produisent plus de 90 % de l'hélium commercialement disponible dans le monde, les usines d'extraction du Canada, de Pologne, de Russie et d'autres nations produisant le reste. Au milieu des années 1990, une nouvelle usine commence à produire à Arzew, en Algérie. Avec 1,7×10⁷ m³ par an, elle peut couvrir toute la demande européenne, soit environ 16 % de la production mondiale. Pendant ce temps-là, la consommation aux États-Unis a dépassé 15 000 t en 2000. En 2004–2006, deux usines additionnelles sont construites, une à Ras Laffan (Qatar) produisant 9,2 tonnes d'hélium liquide par jour, soit 1,88×10⁷ m³ par an, et l'autre à Skikda (Algérie). L'Algérie est rapidement devenue le deuxième producteur d'hélium. Au cours de cette période, la consommation d'hélium et les coûts de production ont augmenté. Entre 2002 et 2007, les prix de l'hélium ont doublé et pendant la seule année 2008, les principaux fournisseurs ont augmenté leurs prix d'environ 50 %^{[citation nécessaire]}. Ceci est lié à un état effectif de pénurie chronique d'hélium, ce qui en fait une matière première stratégique et recherchée par le monde scientifique et industriel, notamment pour de nouveaux usages comme la fabrication de fibres optiques et de circuits intégrés.