Investigadores aragoneses dan un paso decisivo en la producción de “helio limpio”
Un equipo de investigadores coordinado por el profesor de Investigación Conrado Rillo, del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA), centro mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza, ha realizado una decisiva contribución en el ámbito de la investigación a bajas temperaturas y la tecnología médica. El trabajo, que ha sido destacado por los editores de Physics1, prestigiosa revista que publica la Sociedad Americana de Física, explica el procedimiento para obtener “helio limpio”, libre de las moléculas de hidrógeno que, al solidificar, bloquean multitud de dispositivos de investigación y diagnóstico médico cada día en todo el mundo, obligando a parar los equipos para eliminarlas y provocando la suspensión de los experimentos que se están haciendo o de las pruebas médicas, lo que se traduce en una gran pérdida de tiempo e incremento de costes.
El helio líquido forma parte de multitud de experimentos científicos a baja temperatura, pero también se utiliza para refrigerar aparatos médicos en hospitales, como los de resonancia magnética, a 269 grados bajo cero o 4,2 Kelvin (el helio es el único elemento químico que puede enfriarse tanto sin que se convierta en sólido). Sin embargo, determinadas investigaciones y algunos equipos de la máxima resolución necesitan trabajar a temperaturas aún más bajas, que se alcanzan bombeando el helio líquido a través de unos finos tubos a modo de capilares.
El problema viene cuando al obtener este helio “superenfriado”, las moléculas de hidrógeno presentes en él –en forma de trazas- y que han atravesado los filtros de impurezas que han capturado el resto de residuos, solidifican al llegar a áreas de menor presión, atascando los conductos e impidiendo el buen funcionamiento de los dispositivos. Esto obliga a calentar las máquinas, eliminar las impurezas y volver a empezar, desechando además el costoso helio que se estaba usando (un litro de helio puede llegar a costar hasta 50 euros y un equipo puede contener decenas o incluso cientos de litros, que se pierden en estas circunstancias).
Lo que el equipo de investigadores ha conseguido es explicar con detalle por qué se produce este proceso de solidificación de moléculas de hidrógeno y el correspondiente bloqueo de los capilares.
Además, han ideado formas de eliminar totalmente el hidrógeno, desarrollando soluciones de purificación que pueden utilizarse a gran escala o en combinación con equipos pequeños como los licuefactores de recuperación de helio que se usan ya en muchos lugares y que recuperan el gas evaporado para volverlo a convertir en líquido y reutilizarlo. Estos modernos y sencillos licuefactores fueron también desarrollados por investigadores del ICMA, CSIC y Universidad de Zaragoza hace algunos años –Physics se hizo eco de ello en el año 2015-2 y son comercializados en todo el mundo desde 2013 gracias a las patentes y acuerdos de explotación establecidos entre la Universidad de Zaragoza, el CSIC y la empresa americana Quantum Design Internacional, líder mundial en la fabricación y distribución de instrumentación científica de medidas físicas a bajas temperaturas.
En estos momentos hay más de 100 equipos de este tipo instalados en centros de todo el mundo, incluido el que en 1908 se convirtió en la cuna del helio líquido, la Universidad de Leiden en Holanda. Quantum Design comercializa también aparatos purificadores de helio, ideados, patentados y desarrollados en colaboración con el equipo de investigadores del ICMA.
Estas técnicas permiten reducir el consumo de un recurso estratégico, limitado y de elevado coste, que se usa, tanto en forma líquida como en forma de gas, en investigación, en equipos médicos y en la industria, lo que supone un ahorro económico considerable al ser el helio un elemento fósil, escaso y muy caro. Además estos pequeños equipos están sustituyendo a las plantas de recuperación industrial, muy complejas y que emiten a la atmósfera una parte importante del helio usado.
El primer paso del trabajo de purificación que ahora ve la luz en la prestigiosa revista Physical Review Applied3 es eliminar mediante criocondensación las impurezas mayoritarias presentes en el helio, compuestas principalmente por nitrógeno y oxígeno. En una segunda fase y mediante un “Getter” químico (filtro de gránulos muy reactivos con el hidrógeno) se captura todo el hidrógeno presente en el helio. Hasta ahora se sabía qué causaba el bloqueo de las máquinas –hidrógeno sólido-, pero no el mecanismo y mucho menos cómo poner fin a este auténtico “quebradero de cabeza” de investigadores y tecnólogos de todo el planeta. Se trata de un avance sin parangón que supone un paso de gigante para muchas personas y equipos que necesitan “helio limpio”. Solo en las instalaciones del ICMA en la Universidad de Zaragoza hay 5 equipos que usan más de 5.000 litros al año de helio superenfriado, con fines de investigación.
El equipo que ha llevado a cabo este revolucionario trabajo que ha despertado gran expectación en la comunidad científica internacional es multidisciplinar y reúne a profesionales del ICMA, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad de Zaragoza, del Instituto de Nanociencia de Aragón, del Servicio General de Apoyo a la Investigación de la Universidad de Zaragoza, de Quantum Design (San Diego, EE UU), de la Universidad Técnica de Dresden (Alemania) y del Instituto de Física de Leiden en Holanda además de la empresa Air Liquide.
1 http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevApplied.6.024017
2 http://physics.aps.org/articles/v8/43
3 https://journals.aps.org/prapplied/pdf/10.1103/PhysRevApplied.6.024017
