Utilisation de l’hélium dans les IRM

user14445

Utilisation de l’hélium dans les IRM


De plus en plus d’articles apparaissent sur la pénurie d’hélium et sur son importance. Son utilisation au printemps par exemple pour l’IRM. Je l’ai regardé et j’ai découvert que l’hélium est utilisé pour son «bas point d’ébullition» et sa «supraconductivité électrique». Cela me donne donc quelques questions:

  • Comment la quantité d’hélium peut-elle s’épuiser? Lorsque nous utilisons de l’hélium (à des fins autres que les ballons), il reste sur terre, n’est-ce pas? Puisqu’il ne disparaît pas, ne pouvons-nous pas «recycler» l’hélium précédemment utilisé à certaines fins et simplement le réutiliser?

  • Nous entendons souvent dire que les réserves d’hélium s’épuisent à un rythme alarmant. Cela me fait me demander; tous les éléments que nous utilisons sur la terre ne s’épuisent-ils pas dans les fournitures? Ou y a-t-il des éléments qui «arrivent» sur terre plus rapidement qu’ils ne quittent la terre? Auparavant, je pensais au carbone (en relation avec l’émission de dioxyde de carbone), cependant, je me suis dit que la quantité de carbone dans l’atmosphère augmentait tandis que la quantité sous le sol diminuait, ne faisant donc aucune différence avec la quantité de carbone sur le la terre dans son ensemble.

  • Pourquoi l’hélium est-il le seul élément adapté à une utilisation en IRM? En d’autres termes, pourquoi ses propriétés sont-elles si uniques ou rares? Et quelles sont ces propriétés, outre le «bas point d’ébullition» et la «supraconductivité électrique»?

  • Des recherches sont-elles en cours pour remplacer l’hélium dans ses objectifs par un substitut plus viable?

Arachide folle de gaufre

Mec, c’est un tas de questions. Avec qui êtes-vous en colère? Bonjour utilisateur, ne postez pas beaucoup de questions dans une seule question 🙂

user14445

4 questions entrelacées. Ne réagissez pas de manière excessive

Alan Rominger

Je suis surpris de ne pas trouver une autre question sur Physics SE sur la disponibilité de l’hélium. Ce serait le plus simple de répondre simplement avec Google. En bref, notre hélium provient du sous-sol où il s’est accumulé pendant des milliards d’années. Il peut bien échapper à la gravité de la Terre lorsqu’il est libéré, et même s’il ne le fait pas, il est plus cher à capturer dans l’air. Vous pouvez diviser cela en deux questions si vous le souhaitez. Je suggérerais de concentrer celui-ci sur l’utilisation en IRM en particulier.

tpg2114

Voici une explication de la raison pour laquelle l’hélium s’épuise, cela répond au moins en partie. skeptics.stackexchange.com/questions/13757/…

Manishearth ♦

Comme les autres l’ont mentionné, vous devez vraiment le diviser en deux ou plusieurs questions, sinon il faudra peut-être le classer comme «trop large»

Réponses


 Luboš Motl

L’hélium est relativement rare sur Terre, 0,00052% des atomes ou molécules de l’atmosphère (ou la même fraction du volume; fraction beaucoup plus faible de la masse). La concentration d’hélium dans l’atmosphère est faible. De plus, il baisse à cause de la fuite atmosphérique . Environ 4 tonnes d’hélium s’échappent de l’atmosphère chaque jour car il y a une forte probabilité que la vitesse des atomes d’hélium dépasse la vitesse de fuite, donc il n’y a plus de retour.

Parce que la quantité d’hélium dans l’atmosphère est si faible, ce n’est pas de là que nous le tirons. Nous l’obtenons du gaz naturel aux endroits où il est créé à partir de la désintégration alpha de l’uranium et d’autres éléments – les particules alpha sont des noyaux d’hélium. Et ce gaz naturel contient jusqu’à 7% de concentration d’hélium, il est donc pratique de l’obtenir par distillation fractionnée . L’épuisement de l’hélium des « sources réalistes » se produit donc à un rythme relatif similaire à celui de l’épuisement du gaz naturel « classique ». Si l’hélium s’échappe dans l’atmosphère, il est effectivement perdu. Personne n’attrapera les molécules rares de l’atmosphère: il faudrait saisir d’énormes volumes d’air pour trouver la quantité d’hélium requise.

Différents éléments ou composés sont «épuisés» ou «accumulés» à des rythmes très différents. Vous devez comprendre que pour des raisons pratiques, seuls les éléments et / ou composés contenus dans des matériaux dont la concentration relative est suffisamment élevée peuvent être considérés comme accessibles. Ainsi, une fois perdus, par exemple l’hélium dans l’atmosphère, ils sont perdus et ne peuvent pas être recyclés.

Le sol et la croûte terrestre et l’eau de la Terre contiennent certains éléments et / ou composés dont la quantité est effectivement infinie par rapport à la consommation humaine, il est donc inutile de parler de leur épuisement. La Terre sera presque certainement brûlée lorsque le Soleil deviendra une géante rouge dans 7,5 milliards d’années avant que nous puissions épuiser l’azote de l’atmosphère ou les oxydes de silicium des roches, etc. Toutes les couches supérieures de la Terre sont en grande partie composées de telles choses.

Nous n’épuiserons pas le dioxyde de carbone de sitôt; tant que nous aurons des combustibles fossiles, etc., la concentration de CO2 dans l’air sera maintenue élevée, ce qui est une bonne chose. Cependant, il est vrai que quelques siècles après avoir épuisé les combustibles fossiles et autres choses similaires à brûler, le CO2 dans l’atmosphère va converger vers la concentration d’équilibre dictée par la température (environ 280 ppm pour la température actuelle). Si cela se produisait brusquement (il faudra un siècle ou plus pour que la baisse se produise), le taux de croissance des plantes chuterait d’environ 20% et environ 1 milliard de personnes dans le monde devraient mourir de faim assez rapidement. La plupart des plantes arrêtent de croître en dessous de 150 ppm de CO2; au cours des périodes glaciaires les plus froides du dernier million d’années, la concentration n’est jamais descendue en dessous de 180 ppm environ et les espèces végétales qui ne pourraient pas survivre à cette baisse ont disparu.

Certains autres éléments ou composés sont rares, par exemple l’or et le platine. Si vous ne voulez pas les rechercher à 30 km sous la surface (ou essayez de les ramener d’autres corps célestes, ce qui est toujours prohibitif – le prix pour amener X kilogrammes de matière sur l’orbite est comparable au prix de X kilogrammes d’or et vous auriez besoin de dépenses encore plus élevées pour lancer des vaisseaux spatiaux à partir de Mars, etc. pour obtenir l’or ici), la quantité totale de ces métaux précieux qui peuvent être « extraits » n’est pas trop grande que ce que nous avons déjà obtenu.

Concernant votre « pourquoi l’hélium », permettez-moi de citer Wikipédia .

Imagerie multinucléaire: l’hydrogène est le noyau le plus fréquemment imagé en IRM car il est présent dans les tissus biologiques en grande abondance, et parce que son rapport gyromagnétique élevé donne un signal fort. Cependant, tout noyau avec un spin nucléaire net pourrait potentiellement être imagé avec l’IRM. Ces noyaux comprennent l’hélium-3, le lithium-7, le carbone-13, le fluor-19, l’oxygène-17, le sodium-23, le phosphore-31 et le xénon-129. 23Na et 31P sont naturellement abondants dans le corps, ils peuvent donc être imagés directement. Les isotopes gazeux tels que 3He ou 129Xe doivent être hyperpolarisés puis inhalés car leur densité nucléaire est trop faible pour fournir un signal utile dans des conditions normales. Le 17O et le 19F peuvent être administrés en quantités suffisantes sous forme liquide (par exemple 17O-eau) que l’hyperpolarisation n’est pas une nécessité.

L’hélium est donc le meilleur mais il n’a pas tout à fait le monopole. De toute évidence, si nous manquions d’hélium, ce ne serait pas la fin de l’IRM. Mais le prix de l’hélium est fini, un nombre particulier dicté par l’équilibre entre l’offre et la demande, et il est tout simplement préférable pour de nombreux utilisateurs d’utiliser l’hélium même si nous l’épuiserons probablement bien avant les autres. À mesure que les réserves diminuent, le prix augmentera et la proportion d’autres isotopes utilisés en IRM augmentera.

Scientifique fou

Je ne vois pas comment l’extrait de Wikipedia est lié à l’utilisation de l’hélium en IRM. Il est utilisé pour refroidir l’aimant supraconducteur, il n’est pas observé.

Scientifique fou

L’hélium-3 est un isotope de l’hélium très rare, et vous pouvez en faire l’IRM / RMN. Mais ce n’est pas ce qui se passe dans l’IRM typique des humains, car ils ne contiennent aucune quantité mesurable d’hélium-3 (bien qu’il semble y avoir des expériences plus exotiques qui l’utilisent). L’hélium utilisé pour les appareils d’IRM n’est pas actif en RMN, car l’hélium naturel est presque tout l’hélium-4. L’hélium est utilisé pour le refroidissement, votre paragraphe de Wikipedia concerne les noyaux qui peuvent être observés par résonance magnétique.

Colin McFaul

La grande majorité de l’hélium utilisé en IRM est destinée au refroidissement, non pas comme noyaux d’imagerie, au point que je ne savais même pas qu’il était même utilisé de cette manière (mais si Wikipedia le dit, cela doit être vrai). La grande majorité de l’hélium sur la planète est

Scientifique fou

@ LubošMotl L’utilisation d’hélium des appareils d’IRM n’est pas causée par les expériences plutôt exotiques de 3He, mais par l’hélium liquide utilisé pour refroidir les aimants supraconducteurs. Votre section sur les noyaux actifs en RMN n’est pas pertinente pour la question à l’étude.


 Scientifique fou

Les appareils d’IRM utilisent de l’hélium liquide pour refroidir les aimants supraconducteurs nécessaires à la création du champ magnétique élevé nécessaire à l’imagerie par résonance magnétique. Chaque appareil de résonance magnétique à champ élevé, IRM ou RMN, a un dewar intérieur rempli d’hélium et un extérieur rempli d’azote liquide.

L’isolation n’est bien sûr pas parfaite, donc une certaine quantité d’hélium s’évapore avec le temps. Vous pouvez attraper l’hélium qui s’évapore, le refroidir et le réutiliser, mais cela ne se fait pas partout. Jusqu’à récemment, il n’était pas rentable de le faire, vous perdez toujours une certaine quantité d’hélium dans le processus et vous n’obtenez pas l’ensemble de la machinerie gratuitement. Je connais au moins deux installations de RMN qui recyclent leur hélium, donc c’est certainement faisable. Mais les deux sont assez importants, et je soupçonne que les aspects financiers sont pires pour les petits sites.

Quant au remplacement de l’hélium, une façon serait d’inventer des supraconducteurs à haute température adaptés à la construction de machines IRM. Si l’azote liquide était suffisant pour les refroidir, cela éliminerait le besoin d’hélium liquide.

Luboš Motl

OK, désolé, je pense qu’il est trompeur de mélanger l’essence physique de l’IRM, qui est la RMN et ne dépend pas de l’hélium-4, avec le problème technique de refroidissement d’un appareil qui est une question de physique indépendante. De plus, cette réponse n’essaie pas vraiment de quantifier les réserves en aucune façon, ni d’expliquer l’origine de l’hélium industriel, -1.

Scientifique fou

@ LubošMotl Mais la question porte sur le refroidissement des IRM, car c’est à cela que sert tout l’hélium et à quoi se réfèrent les articles de l’auteur de la question mentionnée. Vous manquez le point de la question avec votre partie sur l’IRM 3He, car il s’agit d’une utilisation négligeable d’hélium par rapport à l’utilisation dans le refroidissement des aimants IRM et RMN.

Luboš Motl

Non, la question ne concerne pas le refroidissement. La question concerne l’IRM – voir le titre – et le mot « refroidissement » n’apparaît pas dans toute la question. … 3Il est négligeable mais c’est l’isotope le plus cher, produit à 2 000 $ le litre à partir de tritium. L’hélium-4 normal à 100 billions de mètres cubes de réserves est loin d’être « épuisé », surtout pas dans la mesure où nous ne pouvions pas nous permettre d’IRM.

Colin McFaul

@ LubošMotl, la question porte sur l’utilisation de l’hélium en IRM. L’utilisation d’hélium en IRM sert au refroidissement de l’aimant. Ce n’est vraiment pas difficile à comprendre. Je ne sais pas pourquoi tu as un problème avec ça.


 Alexandre

Je vais essayer de répondre très brièvement à la plupart des questions. Certaines parties sont déjà expliquées dans les autres réponses mais quelques aspects importants manquent.

  1. Comment la quantité d’hélium peut-elle s’épuiser?

    L’hélium (

    4

    He) qui est utilisé dans un certain nombre d’applications est extrait du gaz naturel. Toutes les autres sources sont beaucoup plus difficiles et coûteuses. Donc, moins de gaz naturel signifie moins d’hélium.

  2. Tous les éléments que nous utilisons sur la terre ne s’épuisent-ils pas dans les fournitures?

    L’hélium est spécial dans cet aspect, une fois évaporé et échappé dans l’atmosphère, vous pouvez à peine le récupérer. Dans l’air normal, seulement 0,0005% sont de l’hélium, donc l’extraction par condensation n’est pas efficace.

  3. Pourquoi l’hélium est-il le seul élément adapté à une utilisation en IRM?

    L’hélium est le matériau ayant le point d’ébullition le plus bas, ce qui le rend idéal pour refroidir les aimants supraconducteurs. L’hydrogène vient en deuxième position, mais le point d’ébullition relativement élevé (20 K) est supérieur à la température critique du Niobium-titane (9 K), vous ne pouvez donc pas utiliser l’hydrogène pour obtenir le matériau supraconducteur standard.

  4. Des recherches sont-elles en cours pour remplacer l’hélium dans ses objectifs par un substitut plus viable?

    Oh oui. Il y a beaucoup de recherches en cours. Auparavant, l’IRM soufflait de l’hélium dans l’air, tout le reste n’était pas considéré comme économiquement sain. Cela a changé dans une certaine mesure, vous pouvez collecter l’hélium dans des récipients à haute pression et le recondenser. Alternativement, en utilisant un refroidisseur à tube pulsé, vous pouvez garder l’ensemble du système suffisamment frais pour qu’aucun hélium ne s’évapore, mais ce n’est pas largement utilisé mais déjà disponible dans le commerce. En principe, vous pouvez refroidir complètement à des températures très basses sans hélium en utilisant la démagnétisation adiabatique, mais cela est beaucoup plus compliqué que «simplement» en utilisant de l’hélium liquide.


 Emilio Pisanty

L’hélium est une ressource précieuse en raison de sa disponibilité relative, de sa stabilité chimique fantastique et de son point d’ébullition exceptionnellement bas. Cela signifie qu’il peut être utilisé pour refroidir efficacement des choses à 4K et en dessous, où d’autres gaz sont extrêmement difficiles à travailler.

L’hélium s’épuise parce que les seuls magasins viables que nous possédons sont souterrains. Lorsque nous utilisons l’hélium avec précaution – dans un laboratoire ou un ballon – il s’échappe dans l’atmosphère et se dilue donc dans

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kilogrammes d’oxygène et d’azote qui le composent. En principe, il est possible de purifier l’hélium de l’atmosphère. En pratique, il n’est présent qu’à l’état de traces et aucun tel schéma ne sera jamais réaliste.

Pour rendre les choses encore plus difficiles, seuls les schémas de séparation physique sont viables car l’hélium est chimiquement inerte, et ceux-ci sont très, très chers en termes d’argent et d’énergie. (Pensez combien il est difficile d’extraire l’azote!)

Pour être clair, alors: les seules réserves d’hélium que nous épuisons sont utilisables, souterraines. Je ne connais aucune autre alternative viable à l’hélium pour le refroidissement sous 4K.

user14445

Serait-il possible de l’extraire du soleil?

Emilio Pisanty

Non, pas sans technologies actuellement profondément ancrées dans le domaine de la science-fiction. Le soleil est un peu trop chaud et trop éloigné, pour le moins.

mmc

@ user14445 Extraire de l’hélium de Jupiter serait beaucoup plus facile (bien que cela ne signifie pas grand-chose).

 

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