Quel rapport entre le blocage du détroit d’Ormuz, l’imagerie médicale et l’hélium ?
Avec la guerre au Moyen-Orient les média nous ont appris que plus de 20 % de la production mondiale de pétrole et de gaz transitaient par le détroit d’Ormuz et que son blocage entrainait l’immobilisation de centaines de tankers et porte-conteneurs dans le golfe. Comme beaucoup de Français, je pestais contre cette guerre, son caractère imprévisible et l’inflation des prix des carburants qui a suivi, jusqu’à ce qu’une amie me dise que son rendez-vous pour un passage à l’IRM risquait d’être reporté pour mise en veille de l’appareil ! Avec risque de rupture d’approvisionnement en hélium.
L’hélium
En tant que chimiste, je savais bien que les appareils de RMN hauts-champs avaient besoin d’aimants supraconducteurs baignant à – 269 °C (4 K) dans de l’hélium liquide et que les laboratoires de chimie et de physique en consommaient pas mal (1). Mais j’oubliais que l’imagerie par résonance magnétique (IRM), basée sur le même principe, utilisait elle aussi de gros aimants supraconducteurs exigeant une cryogénie basse température avec des volumes d’hélium liquide appréciables.
Revenons un peu sur cet élément He (2). De numéro atomique 2 et de masse molaire 4 g/mol, il est plus léger que l’air, il est bon conducteur de la chaleur et il a la plus basse température de liquéfaction des gaz, - 269 °C (4 K). C’est cette dernière propriété qui le fait utiliser pour les bobines des aimants, constitués de fils d’alliages de niobium avec l’étain (Nb-Sn) ou de titane (Nb-Ti), ces derniers ayant des températures de transition de l’ordre de 9 K au-dessous de laquelle ils conduisent le courant électrique sans résistance et peuvent produire des champs magnétiques considérables supérieurs à 10 teslas(i). Les appareils d’IRM ont ces types de bobines baignant dans plusieurs dizaines de litres d’hélium liquide.
L’hélium, un gaz industriel
L’hélium est récupéré comme sous-produit lors de l’extraction du gaz naturel (3). Le gaz naturel riche en méthane peut en contenir de 0,3 à 5 %. D’autres sources en contenant, comme celles du CO2 à Fonts-Bouillants(ii) en France, peuvent être aussi utilisées. Il faut d’abord le purifier en absorbant sur charbon actif l’eau, H2S et les impuretés. On sépare le méthane ou le CO2 par cryogénie, et on continue à refroidir jusqu’à -196 °C pour éliminer l’azote et le reste de méthane ou du CO2. Il reste à le refroidir jusqu’à – 269 °C. L’hélium liquide est stocké dans des isoconteneurs bien isolés thermiquement. La plupart des producteurs de gaz liquéfiés (GNL) séparent l’hélium et le commercialisent. Quasiment 100 % de la consommation européenne est importée, les pays producteurs figurent sur le tableau suivant :
| Pays | États-Unis | Qatar | Russie | Algérie | Chine | Pologne |
|---|---|---|---|---|---|---|
| % de la production mondiale | 42 % | 33 % | 9 % | 6 % | 5 % | 4 % |
Pour l’Union européenne, le petit émirat du Qatar est le premier fournisseur (42 %), devant l’Algérie (30 %), avec d’énormes installations de liquéfaction du GNL dans le complexe de Ras Laffan.
Problème numéro 1 : ces trains de liquéfaction sont arrêtés depuis début mars devant l’impossibilité d’exporter le GNL.
Problème numéro 2 : deux trains de liquéfaction ont été touchés le 18 mars par des frappes iraniennes et il faudra plusieurs années pour les remettre en état et les redémarrer. Enfin, dans les 200 isoconteneurs actuellement bloqués par le détroit d’Ormuz, l’hélium liquide s’évapore et d’ici 40 jours il faudra les recharger !
Ces évènements expliquent que plusieurs distributeurs d’hélium annoncent limiter les ventes à leurs clients. Air Liquide, qui a plusieurs sources d’approvisionnements et un stock important en caverne saline en Allemagne, annonce cependant devant le manque de visibilité devoir bientôt prioriser certains clients ou usages stratégiques. Les autres producteurs et distributeurs, comme l’américain Air Products et les Allemands Messer et Linde, sont aussi affectés.
Les utilisations de l’hélium
Le marché de l’hélium est un marché de niche comparé à celui du GNL, mais stratégique dans plusieurs domaines. Bon conducteur de la chaleur, il est utilisé en électronique pour le refroidissement des puces et semi-conducteurs, des écrans LCD et des préformes de silice pour l’étirement des fibres optiques (4). Gaz inerte, il remplace l’argon pour le soudage à l’arc de l’inox. Léger et ininflammable, il sert à gonfler les ballons et dirigeables à la place de l’hydrogène (les ballons sondes de la météo représentent près de 4 Mm3). Insoluble dans l’eau et le sang, il remplace l’azote dans les mélanges O2/He des bouteilles des plongeurs pour éviter les embolies gazeuses (5). Enfin en cryogénie, l’hélium liquide est indispensable en recherche dans les spectromètres RMN et pour les applications en santé dans les IRM (6).
Le recyclage
Devant les crises géopolitiques successives en 2022 et celle qui s’annonce en 2026, il faut réagir, d’autant que le prix du m3 d’hélium a été multiplié par trois en 5 ans et que le litre à - 269 °C est passé de 5 € en 2018 à 35 € en 2024 et atteint 49 € en avril 2026. Les établissements de recherche en savent quelque chose comme le CNRS où le budget hélium approche 2 millions d’euros annuellement. Rien que la mise en température du premier RMN 1200 MHz unique en France et en Europe avait couté plus de 200 000 €. Les grands centres de recherche ont donc tout intérêt à récupérer et reliquéfier ce précieux gaz.
L’expérience à Grenoble de l’Institut Néel qui possède un gros liquéfacteur est à méditer : en 2024 il a recyclé 265 000 litres pour les labos de Grenoble, du CEA, de l’ILL et de l’ESRF pour un coût de liquéfaction à 3,80 €, à comparer aux 30 000 litres pour compenser les pertes d’évaporation achetés au prix de 36 €/L (cela fait plus d’un million d’euros). C’est pourquoi une chargée de mission « hélium » a été nommée qui va, avec la centrale d’achat du CNRS, négocier pour l’ensemble des laboratoires en cotutelle un contrat d’approvisionnement par mise en concurrence des distributeurs pour protéger notamment les petits consommateurs. Avec les universités, un programme de renouvellement des liquéfacteurs déjà anciens devrait aussi se mettre en place.
Et l’avenir ?
En investissant sur des récupérateurs de fuites d’hélium, des compresseurs et des bouteilles d’acier à 700 bar on peut, avec un nouveau liquéfacteur, récupérer 80% du gaz pour les usages en recherche et pour la santé. Mais se profile un nouveau domaine d’utilisation, celui des ordinateurs quantiques. Ces ordinateurs travaillent à des températures inférieures à 10 millikelvins (près du zéro absolu) pour préserver des perturbations la cohérence des « qubits(iii) ». Or ces températures ne peuvent être atteintes que par dilution de molécules d’hélium-4 et d’hélium-3, un isotope très rare issu principalement de la désintégration du tritium (7) et des programmes nucléaires de défense.
Les experts pensent que le développement du calcul quantique est freiné par le goulot d’étranglement que représente la nécessité stratégique d’obtenir suffisamment d’hélium-3, élément essentiel de la réfrigération quantique, qui se négocie actuellement à environ 20 millions d’euros par kilogramme. La Lune, non protégée par un champ magnétique et bombardée depuis des millions d’années par les vents solaires riches en hélium-3, en posséderait des tonnes. Faisons un peu de Politique science-fiction, serait-ce la raison de la course USA-Chine pour atterrir et sonder notre astre nocturne ?
(i) Par comparaison le champ magnétique terrestre est de l’ordre de 5 . 10-5 teslas.
(ii) PER Fonts-Bouillants - Vers une première production d'hélium en France et en Europe de l'Ouest sur le site de la société 45-8 energy.
(iii) Un qubit ou bit quantique, est l'unité d'information de base utilisée pour encoder les données en informatique quantique.
Pour en savoir plus
(1) Comment déterminer la structure des molécules organiques ? Quelques notions de RMN du proton et IR, F. Brénon, vidéo et présentation (Mediachimie.org)
(2) L’hélium, l’autre gaz indispensable, J.-C. Bernier, éditorial (Mediachimie.org)
(3) L’hélium sur le site de l’Élémentarium
(4) Les fibres optiques : internet dans un grain de sable, A. Pichard, A. Harari et J.-C. Bernier, Chimie et... en fiches (Mediachimie.org)
(5) Un risque de la plongée sous–marine : la décompression, P. Labarbe, Chimie et... en fiches (lycée)
(6) IRM, SMR et chimie, J.-C. Beloeil, L’Actualité chimique n° 348-349 (janvier-février 2011)
(7) Equation d’une réaction nucléaire, L. Ransinangue, dossier pédagogique Mediachimie/Nathan
Illustration : Appareil IRM. Crédit : Mart Production / Pexels