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Si on laissait le marché fixer les prix, «les ballons de fête d'enfant se vendraient 100 $ chacun», selon le physicien Robert Richardson

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(Québec) «On nous dit souvent que l'hélium pourrait bientôt disparaître, puisqu'il ne se renouvelle pas. Alors, comment fait-on pour aller chercher ce gaz si précieux? Et, deuxièmement, puisque celui-ci est plus léger que l'air et partant du principe que "rien ne se perd, rien de se crée", pourquoi ne remonte-t-il pas d'où il vient quand il est libéré, par exemple lorsqu'un ballon éclate?» demande Denise Gamache, de Québec.

C'est une bien drôle d'ironie que celle-là. L'hélium (He) est le deuxième élément le plus abondant de l'Univers, comptant pour environ 25 % (en masse) de toute la matière existante, devancé uniquement par l'hydrogène (73 %) et loin devant tous les autres éléments réunis (2 %). Mais sur Terre, l'hélium est rare et l'on se dirige effectivement vers une pénurie.

En date de 2012, environ les trois quarts de l'offre mondiale d'hélium provenaient des États-Unis. Et encore, une bonne part de celle-ci n'était pas de la «production» à proprement parler, mais plutôt une réserve historique que le gouvernement américain s'était constituée à partir des années 20, parce que les ballons dirigeables (gonflés à l'hélium) étaient à l'époque vus comme une arme redoutable pour les militaires. Depuis 1996, les États-Unis écoulent leur stock petit à petit, ce qui a pour effet de déprimer les prix.

Mais c'est un couteau à deux tranchants. D'un côté, maintenir le prix de l'hélium à des niveaux relativement bas (son cours a quand même beaucoup augmenté ces dernières années) a des avantages évidents, quand on songe aux usages que l'on fait de ce gaz en médecine et en recherche. L'hélium a en effet des propriétés qui le rendent difficilement remplaçable à plusieurs égards. Il se condense (donc devient liquide) à la température inouïe de 4 °K (donc - 269 °C) et gèle à 1 °K, plus bas qu'à peu près n'importe quelle autre substance. En outre, c'est un gaz dit «inerte», qui ne réagit chimiquement avec à peu près rien. Pour ces raisons, on l'utilise principalement comme réfrigérant; bien des laboratoires en ont besoin pour refroidir leurs instruments, notamment le fameux accélérateur de particules européen, le Large Hadron Collider, qui a découvert le boson de Higgs récemment.

De même, certaines pièces des appareils d'imagerie médicale comme les «IRM» ont elles aussi besoin d'être refroidies à l'extrême et consomment de grandes quantités d'hélium. En outre, diverses industries lui trouvent toutes sortes d'autres applications - purge, pressurisation, détection des fuites, etc.

Mais d'un autre côté, en maintenant les prix artificiellement bas, la réserve américaine encourage (jusqu'à un certain point) le gaspillage d'une ressource rare et dont on risque bien de manquer, dans un avenir plus ou moins rapproché.

Dans une entrevue récente au New Scientist, le Prix Nobel de physique de 1996, Robert Richardson, dénonçait cette façon de faire, disant que les «réserves seront épuisées d'ici 25 ans» et que si on laissait le marché fixer les prix, «les ballons de fête d'enfant se vendraient 100 $ chacun».

Pénurie à venir

Maintenant, comment expliquer la pénurie à venir? L'hélium est un gaz, mais celui dont on se sert ne vient pas de l'atmosphère. L'air n'en contient qu'environ cinq parties par million (0,0005 %), et il est extrêmement coûteux de le séparer du reste.

Non, si étonnant que cela puisse paraître, c'est plutôt de la croûte terrestre qu'on l'extrait, où il est produit par la dégradation radioactive d'éléments lourds, comme l'uranium et le thorium.

Comme on l'a déjà vu dans cette rubrique, le noyau des atomes est constitué de deux sortes de particules : les protons, porteurs d'une charge électrique positive, et les neutrons, qui, comme leur nom l'indique, sont électriquement neutres. Le nombre de protons dans le noyau est fondamental, car ce sont leurs charges électriques qui «retiennent» les électrons autour du noyau et qui déterminent la nature chimique de l'atome. L'élément de base de la vie, par exemple, le carbone, compte six protons. Enlevez-en un, et ce n'est plus du carbone que vous avez, mais bien du bore; ajoutez-en un, et le carbone est transformé en azote.

Le nombre de neutrons dans le noyau, lui, peut varier sans changer les propriétés chimiques de l'atome. Mais un noyau ne peut pas contenir n'importe quel nombre de neutrons. Seules certaines configurations sont stables, les autres finissant immanquablement (mais sur des périodes qui varient beaucoup) par se dégrader. Et c'est ainsi que la radioactivité génère de l'hélium : une des façons par lesquels les noyaux instables se transforment consiste à éjecter de petits «paquets» de particules constitués de deux protons et de deux neutrons. En physique nucléaire, on les appelle rayons alpha. Mais en chimie, leurs deux protons en font simplement... des noyaux d'hélium.

Comme l'uranium et le thorium sont instables, ils se dégradent petit à petit, éjectant à l'occasion des noyaux d'hélium. Et lorsque ceux-ci sont libérés sous un réservoir géologique étanche, ils peuvent s'accumuler (sur des centaines de millions d'années) en assez grande quantité.

Ces réservoirs retiennent également d'autres gaz, si bien que le gros de la production mondiale d'hélium vient de l'exploitation du gaz naturel. Certains puits (surtout dans l'Ouest américain) peuvent en receler des concentrations allant jusqu'à 7 %, mais la plupart en contiennent beaucoup moins, sinon pas du tout.

Des pays actifs dans le gaz naturel comme la Russie et le Qatar ont l'intention d'augmenter leur production d'hélium, ce qui pourrait nous donner un sursis, mais le problème demeure le même : l'hélium n'est pas une ressource renouvelable.

Sources:

CLINT WITCHALLS. «Nobel Prize Winner: We Are Running out of Helium», New Scientist, 2010. http://bit.ly/1nbHaQ0

SARAH ZHANG. «United States Extends Life of Helium Reserve», Nature News, 2013. http://bit.ly/1oKOIL2

ANDREA WIDENER. «Helium Headache», Chemical and Engineering News, 2013. http://bit.ly/1kTz2pn

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