Ce este heliul? Știai că este folosit și în medicină? Iată cum salvează vieți

Revizuit de Iulia Oprea

Director Healthcare Cluster Central - Linde Gaz România

Peste 10 ani de experiență în industria gazelor medicale și farmaceutice, în managementul și dezvoltarea instalațiilor de gaze medicale în spitale.

 


Dacă sunt întrebate ce este heliul, majoritatea persoanelor știu  probabil că este un gaz,  utilizat pentru înălțarea baloanelor și dirijabilelor ori în dispozitivele de respirat sub apă. Mulți s-au distrat observând efectul său de subțiere a vocii, iar cine lucrează în domeniul industrial cunoaște rolul său în anumite procese, cum ar fi sudarea cu arc.  Cu toate acestea, heliul nu este un gaz atât de cunoscut precum oxigenul sau azotul, deși întrebuințările sale sunt multiple, inclusiv în domeniul medical. Descoperă în articolul de mai jos ce este heliul și cât de mare este importanța sa în multiple arii, de la agrement la tehnologie și, nu în ultimul rând, la domeniul medical.

Ce este heliul ca element chimic

În tabelul periodic al elementelor, Heliul este elementul chimic cu simbolul He și numărul atomic 2, un gaz monoatomic, incolor, inodor, fară gust, inert și non-toxic. Heliul are cel mai scăzut punct de fierbere și cel mai scăzut punct de topire dintre toate elementele chimice și, de regulă, se prezintă doar în stare gazoasă, în afara unor condiții extreme.

 Numele său vine de la grecescul ”helios”, care înseamnă soare, dându-ne o primă informație importantă despre acest element: abundența sa în mediul solar.  Deși nu este la fel de des întâlnit pe Pământ, Heliul este al doilea element din Cosmosul observabil în ceea ce privește frecvența, grație energiei sale de legătură foarte înalte, care îl face unul dintre cele mai stabile elemente din Univers. Totodată, este al doilea cel mai ușor element din Univers, după Hidrogen. Acesta este și printre cele mai vechi elemente cosmice, care a apărut în timpul Big Bangului originar, în primele trei minute ale Universului. Actualmente, se formează noi cantități de heliu prin procesele de fuziune nucleară a hidrogenului în interiorul stelelor, inclusiv al Soarelui. 

Având o greutate redusă, Heliul s-a evaporat din norul de gaze și praf din care s-a condensat planeta noastră, de aceea este relativ rar pe Pământ, rezultând mai ales din dezintegrarea radioactivă a unor elemente grele, precum toriul sau uraniul. Acest tip de heliu apare în gazele naturale în procent de circa 7%, fiind extras prin distilare fracționată la temperaturi scăzute.

Așa cum arată și numele său, Heliul a fost observat inițial în coroana solară, înainte de a fi descoperit și pe Pământ. În 1868, în timpul unei eclipse solare, mai mulți astronomi au depistat o linie spectrală galbenă în cromosfera solară, care inițial a fost pusă pe seama sodiului. Ulterior, astronomul englez Norman Lockyer și chimistul Edward Frankland au concluzionat că este vorba de un element chimic nou, existent în soare și necunoscut pe pământ, pe care l-au denumit Heliu, pentru a aminti de originea sa solară. Abia în 1895, un alt chimist britanic, Sir William Ramsay a izolat heliul dintr-un mineral numit cleveit, care este considerat astăzi ca o varietate de uraninit, component al unui zăcământ de uraniu.  În 1903 au fost descoperite cantități mari de heliu într-un rezervor de petrol și gaze naturale din SUA, aceasta reprezentând cea mai importantă rezervă de heliu din prezent.

Studiile ulterioare au demonstrat că heliul are o stabilitate energetică neobișnuită, ceea ce explică de ce în Soare hidrogenul este convertit în Heliu-4 în urma reacțiilor termonucleare ce generează energia solară.  Datorită acestei stabilități, heliul este cel mai puțin reactiv gaz nobil, după neon, respectiv al doilea cel mai puțin reactiv dintre elemente. Aproape tot heliul de pe Pământ este un rezultat al dezintegrării radioactive, heliul găsindu-se în cantități mari în minerale de uraniu și thoriu. Se estimează că circa 3000 de tone de heliu pe an sunt generate prin procesele de dezintegrare de-a lungul litosferei.

Heliul a fost utilizat inițial drept combustibil non-inflamabil, mai ușor decât aerul, pentru alimentarea baloanelor de baraj și dirijabilelor, folosite în timpul războaielor mondiale. La acea vreme, heliul era un gaz rar, greu de obținut, singura sursă substanțială fiind în Statele Unite. După al Doilea Război Mondial, heliul lichid a fost folosit ca agent de răcire pentru crearea combustibililor de rachetă, pe bază de oxigen și hidrogen. Pe lângă utilizările sale în înălțarea aeronavelor, heliul a fost folosit și pentru sudura în arc electric.  Această scurtă istorie a descoperirii și primelor utilizări ale heliului arată în mare ce este heliul ca element chimic, dar nu dă încă măsura importanței sale. În acest sens, este de ajuns să spunem că oamenii de știință sunt din ce în ce mai îngrijorați legat de epuizarea rezervelor de heliu și propun ca acesta să nu mai fie risipit în scopuri recreative (de exemplu pentru înălțarea baloanelor la diferite festivități), dat fiind că resursele de heliu sunt complet neregenerabile.

„Este nevoie de multe milenii pentru a se forma heliul care este aici pe Pământ”, spune Sophia Hayes, chimist la Universitatea Washington din St. Louis. Acesta este captiv în rezervoare de gaz natural, de unde poate fi extras, dar, dacă ajunge la suprafață, se evaporă foarte repede și dispare din atmosfera terestră. ”Este singurul element din întregul tabel periodic care scapă de pe Pământ și iese în spațiul cosmic”, arată Hayes.

Astăzi, heliul este un gaz cheie în multiple domenii, inclusiv în medicină,de exemplu pentru tehnicile RMN. Este de la sine înțeles că rezervele de heliu trebuie protejate și este necesar să se găsească metode de recaptare a acestui gaz rar și important.

Care sunt principalele utilizări ale heliului

Pentru a înțelege mai bine ce este heliul, trebuie să cunoaștem utilizările sale și importanța inestimabilă pe care o are în anumite domenii.

În atmosferă, heliul se găsește într-o concentrație foarte mică, aproximativ 1 parte din 200.000. Nu este practic, rentabil sau eficient să extragi heliu din aer.

Actualmente, heliul este extras prin distilare fracționată a gazului natural, care poate conține până la 7% heliu. În etapa de producție finală, cea mai mare parte din heliul obținut este lichefiat printr-un proces criogenic. Acest lucru este necesar pentru aplicații care necesită heliu lichid.

Heliul este folosit în multiple scopuri, datorită proprietăților sale unice, precum punctul de fierbere scăzut, densitatea redusă, solubilitatea redusă, conductivitatea termică maximă și inerția sa.

Heliul este disponibil în comerț, sub formă lichidă sau gazoasă. În stare lichidă, poate fi furnizat în așa numitele baloane Dewars, recipiente ce pot conține până la 1000 litri de heliu sau în containere mai mari, de până la 42 m cubi. Heliul gazos poate fi livrat în cilindri de înaltă presiune, ce conțin circa 300 metri cubi de gaz sau sub forma unor remorci de tub, care pot avea  până la 180.000 metri cubi de gaz.

Așa cum menționam mai sus, primele utilizări ale heliului au fost pentru ridicarea baloanelor și dirijabilelor, iar mai târziu pentru lansarea rachetelor. Pe lângă aceste utilizări ”clasice”, actualmente heliul este folosit în multiple alte arii. 

Din producția totală mondială de heliu cea mai mare parte este utilizat în aplicații criogenice, majoritatea implicând răcirea magneților supraconductori în scanere medicale RMN și spectrometre RMN, precum și pentru Large Hadron Collider (acceleratorul de particule construit la CERN).

Alte utilizări majore ale heliului privesc sistemele de presurizare și purjare, sudarea, întreținerea atmosferelor controlate și detectarea scurgerilor.
Heliul este folosit ca gaz de protecție în procesele de sudare cu arc pe materiale care la temperaturile de sudare sunt contaminate cu aer sau azot. Heliul este utilizat în special pentru materialele de sudură care au o conductivitate termică mai mare, cum ar fi aluminiul sau cuprul.

Pentru inerția sa și conductivitatea termică ridicată, transparența neutronilor și pentru că nu formează izotopi radioactivi în condiții de reactor, heliul este folosit ca mediu de transfer de căldură în unele reactoare nucleare răcite cu gaz

Heliul este folosit ca gaz protector în creșterea cristalelor de siliciu și germaniu, în producția de titan și zirconiu și în cromatografia gazoasă, deoarece este inert. Datorită inerției sale, a naturii perfecte din punct de vedere termic și caloric, a vitezei mari a sunetului și a valorii mari a raportului capacității termice, este util și în tunelurile eoliene supersonice și instalațiile de impuls.

O altă aplicație industrială a heliului este detectarea scurgerilor. Deoarece heliul difuzează prin solide de trei ori mai repede decât aerul, este folosit ca gaz trasor pentru a detecta scurgerile în echipamentele cu vid înalt (cum ar fi rezervoarele criogenice) și containerele de înaltă presiune.

Heliul este utilizat și în construirea unor telescoape, datorită indicelui său  de refracție foarte scăzut, reducând efectele de distorsionare ale variațiilor de temperatură în spațiul dintre lentile.

Vârsta rocilor și a mineralelor care conțin uraniu și toriu poate fi estimată prin măsurarea nivelului de heliu, printr-un proces cunoscut sub numele de datare cu heliu.

Heliul ca gaz de respirație nu are proprietăți narcotice, așa că amestecurile de heliu precum trimix, heliox și heliair sunt folosite pentru scufundări adânci, pentru a reduce efectele narcozei, care se agravează odată cu creșterea adâncimii. Pe măsură ce presiunea crește odată cu adâncimea, densitatea gazului de respirație crește și ea, iar greutatea moleculară scăzută a heliului reduce considerabil efortul de respirație prin scăderea densității amestecului.

Laserele cu heliu-neon, un tip de laser cu gaz cu putere redusă, care produce un fascicul roșu, au avut diverse aplicații practice, inclusiv cititoare de coduri de bare și pointere laser, înainte de a fi înlocuite aproape universal cu lasere cu diode, mai ieftine.

Heliul, amestecat cu un gaz mai greu, cum ar fi xenonul, este util pentru refrigerarea termoacustică. Inerția heliului are avantaje de mediu față de sistemele convenționale de refrigerare care au ca efect epuizarea stratului de ozon și încălzirea globală.

Heliul pentru baloane

Prima întrebuințare a heliului a fost pentru ridicarea baloanelor și dirijabilelor, dat fiind că este mai ușor decât aerul, neinflamabil și ignifug.

După descoperirea sa, heliul a înlocuit hidrogenul în ridicarea baloanelor și a altor aeronave, dat fiind că hidrogenul s-a dovedit a fi foarte reactiv și cu un risc crescut de explozie. Avantajele utilizării heliului pentru înălțarea aeronavelor au fost constatate încă din timpul războaielor modiale, observându-se că dirijabilele care se ridicau cu ajutorul hidrogenului erau vulnerabile, din cauza caracterului inflamabil al acestui gaz, risc eliminat dacă se folosea pentru înălțare heliul.

Heliul este folosit și în lansarea rachetelor,  ca mediu de umplere pentru a înlocui combustibilul și oxidanții în rezervoarele de stocare și pentru a condensa hidrogenul și oxigenul. Este, de asemenea, utilizat pentru a purja combustibilul și oxidantul din echipamentele de sprijin de la sol înainte de lansare și pentru a pre-răci hidrogenul lichid în vehiculele spațiale. De exemplu, racheta Saturn V folosită în programul Apollo avea nevoie de aproximativ 370.000 m3 (13 milioane de picioare cubi) de heliu pentru a fi lansată.

Ce este heliul medical

După ce am elucidat câteva dintre secretele acestui gaz nobil, este vremea să dăm mai multe detalii despre ce este heliul medical.

Acesta este utilizat ca terapie adjuvantă într-o serie de afecțiuni respiratorii, cum ar fi BPOC, Sindromul de detresă respiratorie, astmul exacerbat, crupul și bronșiolita.

Atunci când heliul este amestecat cu oxigen într-un raport de 40% heliu, poate fi utilizat pentru tratamentul persoanelor care suferă de afecțiuni precum emfizemul și bronșita cronică, deoarece acest amestec ușurează respirația.

Heliul permite o mai bună penetrare a gazului în alveolele distale din plămâni, deci este utilizat pentru ventilația pulmonară atunci când este necesar din punct de vedere medical. Heliul este, de asemenea, utilizat pentru testarea funcției pulmonare.

Recent s-a dovedit că heliul gazos, despre care se credea că este biologic inert, ar putea fi benefic în protejarea miocardului de ischemie, precum și în neuroprotecția țesutului cerebral.

În prezent, chirurgii explorează efectele utilizării heliului în loc de dioxid de carbon la pacienții supuși unor proceduri abdominale laparoscopice, dată fiind superioritatea sa în prevenirea acidozei respiratorii la persoanele cu comorbidități ce provoacă retenție de dioxid de carbon.

Istoria heliului ca gaz terapeutic

În 1926, Sayers și Yant au descoperit că amestecurile de heliu-oxigen puteau fi respirate de oameni fără disconfort și de animale fără efecte negative demonstrabile. Datorită solubilității mai scăzute a heliului în comparație cu azotul, utilizarea unui amestec de heliu și oxigen (Heliox) mai degrabă decât azot și oxigen a scăzut formarea bulelor de azot și, prin urmare, a fost folosit pentru a trata boala de decompresie la scafandrii de adâncime.

În 1934, Barach a propus utilizarea Heliox ca gaz terapeutic. Deoarece un amestec de heliu/oxigen are o greutate mai mică decât aerul, Barach a propus utilizarea acestui amestec gazos pentru a îmbunătăți fluxul de oxigen la pacienții cu obstrucție a căilor aeriene superioare și exacerbare a astmului.

Interesul pentru utilizarea clinică a heliului a scăzut temporar din cauza apariției bronhodilatatoarelor și agenților mucolitici și, de asemenea, din cauza pierderii surselor de heliu în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. În anii 1980, interesul pentru cercetarea heliului a reapărut pe măsură ce numărul deceselor cauzate de astm a început să crească.

Utilizarea amestecului Heliox

Densitatea scăzută a heliului reduce rezistența căilor respiratorii și promovează fluxul de aer prin plămâni. Heliox scade efortul respirator la pacienții cu obstrucție a căilor respiratorii. Prin urmare, heliox s-a dovedit eficient într-o varietate de afecțiuni respiratorii, inclusiv obstrucția căilor respiratorii superioare, exacerbarea astmului, stridor postextubare, crup, bronșiolită, boala pulmonară obstructivă cronică (BPOC), sindromul de detresă respiratorie acută și în  testarea funcției pulmonare.

În timpul exacerbărilor acute severe de astm bronșic, s-a constatat că albuterolul nebulizat cu Heliox duce la o îmbunătățire semnificativă a spirometriei în comparație cu albuterolul nebulizat cu oxigen, deoarece heliox-ul cu densitate scăzută îmbunătățește depunerea de albuterol în căile respiratorii distale.

La sugarii cu bronșiolită cu virus respirator sincițial (VRS) moderată până la severă, terapia cu Heliox le-a îmbunătățit scorurile clinice și a redus tahicardia și tahipneea însoțitoare. Heliox îmbunătățește și eliminarea CO2. Comparativ cu un amestec de N2/O2, CO2 difuzează de patru până la cinci ori mai repede în Heliox. Această proprietate reduce semnificativ hipercapnia și normalizează pH-ul.

Inhalarea Heliox mărește durata antrenamentului fizic ce poate fi efectuat de pacienții cu boală pulmonară obstructivă cronică, sporind beneficiile cunoscute ale unui program de reabilitare pulmonară. În starea astmatică acută la copii, terapia inhalatorie cu Heliox a îmbunătățit semnificativ fluxul maxim de aer inspirat și a redus dispneea. Heliox a redus, de asemenea, efortul respirator la copii, prevenind oboseala mușchilor respiratori și insuficiența ventilatorie.

Heliul și sistemul cardiovascular

În sistemul cardiovascular, heliul are un efect sinergic cu oxidul nitric asupra vascularizației pulmonare, rezultând o scădere a presiunii medii în arterele pulmonare. Heliul este, de asemenea, cardioprotector, activând kinazele de semnalizare pro-supraviețuire în timp ce inhibă tranziția permeabilității mitocondriale. Heliul scade dimensiunea zonei afectate de infarctul atunci când este utilizat ca agent de  pre- și post-condiționare cardiacă.

Heliul ca protector al țesutului nervos

Dovezile că xenonul are proprietăți neuroprotectoare i-au determinat pe cercetători să exploreze dacă alte gaze inerte au sau nu acest potențial. Doar câteva studii au investigat efectele tratamentului cu Heliox la nivelul sistemului nervos, iar mecanismul nu a fost încă elucidat corespunzător. Cercetările au arătat că Heliox este superior hiperoxiei, atât în ​​ceea ce privește reducerea volumului infarctului, cât și îmbunătățirea deficitelor neurologice, heliul având efecte neuroprotective.

Folosirea heliului în chirurgia laparoscopică

Chirurgia laparoscopică este în prezent o intervenție pe scară largă în tratarea diferitelor boli abdominale. Procedura necesită dilatarea abdomenului prin insuflare cu dioxid de carbon gazos pentru a vizualiza structurile abdominale și pentru a oferi spațiu pentru manipularea instrumentelor medicale. Dioxidul de carbon este absorbit de peritoneu și modifică parametrii fiziologici, ceea ce poate complica intervenția chirurgicală. CO2 poate provoca în principal modificări cardiopulmonare, care nu apar în cazul în care se folosește heliu în loc de dioxid de carbon.

Heliul s-a dovedit a fi o alternativă sigură ca insuflant la pacienții cu risc ridicat, supuși unei intervenții chirurgicale renale laparoscopice. Cercetătorii arată că pacienții care beneficiază cel mai mult de laparoscopia cu heliu sunt cei cu dificultăți în eliminarea CO2 din sânge, de exemplu pacienții cu BPOC, insuficiență cardiacă congestivă, hipoxie cronică dintr-un șunt intrapulmonar, hipertermie malignă și hipoxie cronică din infarctele pulmonare multiple. În chirurgia generală, heliul este explorat ca o alternativă promițătoare a insuflantului abdominal, deoarece în studiile de laborator și clinice, heliul nu a produs acidoza respiratorie asociată în mod obișnuit cu insuflația folosind CO2.

Alte aplicații ale heliului

Alte aplicații recente ale heliului privesc radiologia RMN pulmonară și imagistica organelor în detaliu foarte fin, deschizând noi posibilități interesante pentru utilizarea heliului în domenii de tehnologie medicală avansată.

Tehnologia imagistică prin rezonanță magnetică sau RMN utilizează supraconductori răciți cu heliu lichid.

Aparatele RMN utilizează un câmp magnetic produs de un magnet supraconductor. Astfel de magneți generează o cantitate enormă de căldură. Heliul lichid este substanța de răcire pentru reglarea temperaturii acestor magneți. Deoarece heliul are a doua cea mai mică căldură specifică  dintre gaze și cel mai scăzut punct de fierbere / topire dintre elemente, el este principalul indicat pentru această funcție esențială de răcire.

Efectul heliului asupra vocii umane

Viteza sunetului în heliu este de aproape trei ori mai mare decât viteza sunetului în aer. Deoarece frecvența de rezonanță naturală a unei cavități pline cu gaz este proporțională cu viteza sunetului în gaz, atunci când heliul este inhalat are loc o creștere corespunzătoare a frecvențelor de rezonanță ale tractului vocal, care este amplificatorul sunetului vocal. Când o persoană vorbește după ce a inhalat heliu, are loc o schimbare a timbrului sunetului amplificat, astfel încât vocea apare subțiată. Efectul opus, scăderea frecvenţelor de rezonanţă, poate fi obţinut prin inhalarea unui gaz dens precum hexafluorura de sulf sau xenonul

Riscurile inhalării heliului

Inhalarea heliului în exces poate fi periculoasă, deoarece heliul înlocuiește oxigenul necesar pentru respirația normală, putând provoca asfixia. Inhalarea heliului direct din butelii presurizate sau chiar din supapele de umplere a baloanelor este extrem de periculoasă, deoarece debitul și presiunea ridicate pot duce la barotraumă, rupând fatal țesutul pulmonar.

Inhalarea în exces a gazului de heliu poate avea un impact negativ asupra sănătății și poate provoca simptome de intoxicare precum:

  • Tulburări de vedere.
  • Amețeli
  • Dureri de cap
  • Scurtarea respirației
  • Puls accelerat
  • Efecte euforice.
  • Convulsii
  • Pierderea conștienței.

La presiuni mari (mai mult de aproximativ 20 atm), un amestec de heliu și oxigen (heliox) poate duce la sindromul nervos de înaltă presiune, un fel de efect anestezic invers; adăugarea unei cantități mici de azot la amestec poate atenua problema.

Ce este heliul lichid

Heliul lichid este o stare de agregare a heliului ce se instalează la temperaturi foarte scăzute, la presiuni atmosferice standard. Heliul lichid poate prezenta superfluiditate (curgere fără nici o frecare sau rezistență).

La presiune standard, elementul chimic heliu există sub formă lichidă numai la temperatura extrem de scăzută de -269 °C.

Heliul lichid este folosit ca agent frigorific criogenic și în procesele de răcire a magneților supraconductori, cum ar fi cei utilizați în imagistica prin rezonanță magnetică nucleară (RMN),  Magnetoencefalografie (MEG) și experimente din fizică, cum ar fi spectroscopia Mössbauer la temperatură joasă.

Problemele de siguranță pentru heliul criogenic sunt similare cu cele ale azotului lichid; temperaturile sale extrem de scăzute pot duce la arsuri la rece, iar raportul de expansiune lichid-gaz poate provoca explozii dacă nu sunt instalate dispozitive de reducere a presiunii.


Surse:

  • https://en.wikipedia.org/wiki/Helium
  • https://medicalgasresearch.biomedcentral.com/articles/10.1186/2045-9912-3-18
  • https://www.bochealthcare.co.uk/en/products-and-services/products-and-services-by-category/medical-gases/heliox21/heliox21.html
  • https://www.boc-healthcare.com.au/en/medical_gases/medical_helium_and_heliox28/index.html
  • https://ro.wikipedia.org/wiki/Amestec_respirabil
  • https://ro.medicineton.com/gas-helium-bisa-mematikan#menu-1
  • https://www.npr.org/2019/11/01/775554343/the-world-is-constantly-running-out-of-helium-heres-why-it-matters?t=1640639020753