Elemento químico conhecido do grande público por encher balões festivos, o hélio desempenha papel central em pesquisas científicas. Na chamada física de baixas temperaturas, ele é usado em sua forma líquida para o resfriamento de materiais e sistemas que necessitam de nível térmico abaixo de 5 K (aproximadamente -268 oC). Quando os efeitos térmicos são reduzidos, fenômenos quânticos tornam-se observáveis. O mesmo princípio sustenta aplicações médicas, como a ressonância magnética nuclear (RMN), onde o hélio é utilizado para resfriar os ímãs supercondutores responsáveis pela geração de campos magnéticos elevados. Por tudo isso, os pesquisadores costumam afirmar que, para estudar supercondutividade ou outros fenômenos de baixas temperaturas, não há alternativa conhecida ao hélio.
O físico Odilon D. D. Couto Jr., do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW), da Unicamp, defende que uma quantidade significativa de avanços científicos e tecnológicos, incluindo a descoberta de novas propriedades de materiais e compostos, o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos, o diagnóstico de doenças e até a ida ao espaço, só foi possível graças à liquefação do hélio, que ocorreu pela primeira vez em 1908.
“A importância do hélio fica ainda mais evidente diante de avanços científicos que estão por vir, caso dos computadores quânticos. Nesse contexto, o acesso ao hélio para pesquisa e tecnologia é cada vez mais um assunto estratégico, que deve ser pensado como um dos pilares para a soberania tecnológica do país.”
No Brasil, porém, a disponibilidade do insumo tem sido marcada por desafios estruturais. Além de tratar-se de um recurso não renovável, cuja disponibilidade depende da exploração de reservas naturais limitadas e de uma cadeia produtiva complexa, fatores como a concentração da produção em poucos países e a dependência de importações ajudam a explicar por que o insumo muitas vezes chega ao país com limitação de oferta e custos elevados.
“Quando você perfura um poço de gás natural, o hélio vem junto. O problema é que, muitas vezes, ele não é aproveitado. Em vários casos, esse hélio é simplesmente descartado”, lamenta o físico Andre Henriques, do Instituto de Física (IF) da Universidade de São Paulo (USP).
Por tudo isso, a gestão eficiente torna-se um fator crítico. A partir dessa compreensão, a equipe do IF da USP iniciou o esforço de recuperação da central de criogenia, infraestrutura histórica, localizada no edifício Mário Schenberg e criada ainda nos anos 1960.
“Nossa criogenia havia entrado em um estado crítico. Chegamos a um ponto em que ela estava praticamente parada. Havia vazamentos, equipamentos danificados e perdas muito elevadas, da ordem de 60%”, relata Henriques, acrescentando que, num cenário ideal, só são admissíveis perdas de até 5%. A situação, ele prossegue, impactava diretamente a pesquisa. “Laboratórios ficavam sem abastecimento, projetos eram interrompidos e o uso do hélio tornava-se economicamente inviável.”
A retomada exigiu uma reorganização estrutural, incluindo a criação de um modelo de prestação de serviços que passou a conectar a universidade ao setor privado, com destaque para a parceria com a White Martins, subsidiária da Linde, empresa conhecida pelo fornecimento de gases especiais.
A colaboração com a Linde, diz Henriques, surgiu a partir de uma necessidade do mercado. Grandes consumidores de hélio, como hospitais que operam equipamentos de ressonância magnética, geram volumes significativos de gás durante o processo de resfriamento. Esse hélio vaporizado pode ser recuperado, mas nem sempre há infraestrutura disponível para sua reutilização.
“Essas empresas têm o gás, mas muitas vezes não têm onde liquefazê-lo. E nós temos exatamente essa capacidade instalada”, explica Henriques. A solução encontrada foi estabelecer uma troca: a empresa fornece hélio gasoso para a universidade, que realiza a liquefação e devolve parte do produto em forma líquida, retendo o restante para uso próprio.
“Para cada metro cúbico de hélio que recebemos, devolvemos cerca de um litro em estado líquido. O restante fica conosco. É um modelo simples, mas extremamente eficiente”, afirma.
Henriques defende que o impacto dessa parceria foi bastante positivo. Segundo ele, a central de criogenia, que antes operava com estoques mínimos, passou a acumular milhares de metros cúbicos de hélio, garantindo o abastecimento contínuo aos laboratórios. “Hoje, conseguimos sustentar a pesquisa sem precisar comprar hélio. Isso muda completamente a equação”, celebra.
A iniciativa também teria impacto direto na formação de pessoal. Técnicos e engenheiros, assegura o professor, participam ativamente da operação, desenvolvendo soluções e aprimorando processos. “Isso gera conhecimento, forma pessoas e fortalece a capacidade técnica do país”, afirma Henriques.
Guerra no Oriente Médio
Na Unicamp, o uso do hélio também está profundamente enraizado na rotina de diversos laboratórios. Segundo o físico Couto Jr., o hélio é um recurso insubstituível também em áreas como transporte elétrico em nanoestruturas, espectroscopia óptica e microscopia de tunelamento por varredura.
Por outro lado, Couto Jr. alerta que o hélio apresenta desafios significativos, que ficaram especialmente evidentes na pandemia. “Houve escassez e, como consequência, um aumento vertiginoso no preço do insumo, que até agora não se recuperou totalmente. Com a guerra no Oriente Médio, há uma expectativa de que voltemos a passar por problemas. Além disso, há que se levar em conta o desenvolvimento de computadores quânticos, que funcionam em temperaturas abaixo de 1K e, portanto, demandam o uso de hélio líquido”, explica o pesquisador da Unicamp.
Couto Jr observa que, do ponto de vista científico, o hélio é muito valioso por ser o elemento químico com menor ponto de ebulição (4.2 K) disponível na natureza. “O hélio pode ser utilizado para criar atmosferas inertes e controle de temperatura no crescimento de cristais de alta pureza necessários para a fabricação de chips eletrônicos. Também pode ser aplicado na produção de cabos de fibras ópticas.”
Do ponto de vista comercial, o valor do hélio está ligado a uma série de fatores. O físico Paul Koenraad, da Universidade Técnica de Eindhoven, na Holanda, concorda que a oferta global é limitada e concentrada em poucas regiões do mundo, muitas delas politicamente sensíveis. “Interrupções no fornecimento já ocorreram no passado e podem voltar a acontecer, o que torna essencial o uso responsável e a reciclagem do gás.”
Henriques, da USP, chama a atenção para outro aspecto: a dificuldade de armazenamento. “Não há como estocar grandes quantidades de hélio gasoso de forma eficiente. Muitas vezes, ele é simplesmente liberado porque não há infraestrutura para capturá-lo”, explica. Esse cenário ajudaria a criar distorções no mercado: o preço do hélio no Brasil pode ser até dez vezes maior do que nos Estados Unidos, como reflexo de custos logísticos, da dinâmica de oferta e demanda e da concentração de fornecedores.
Circuito selado
Diante das dificuldades de abastecimento, têm ganhado espaço tecnologias que prometem reduzir ou eliminar o consumo de hélio líquido, como os sistemas criogênicos de ciclo fechado. Esses equipamentos utilizam o próprio hélio em um circuito selado, evitando perdas.
Koenraad reconhece que tais alternativas podem substituir os criostatos tradicionais em diversas aplicações, especialmente em experimentos menores. “Mas existem configurações experimentais em que o acesso direto ao hélio líquido continua essencial”, afirma, citando, como exemplo, experimentos de microscopia de tunelamento por varredura.
Henriques, da USP, vai além e alerta para o risco de dependência tecnológica. “Esses sistemas são mais caros e, muitas vezes, exigem manutenção especializada do fabricante. Isso pode transformar laboratórios em clientes permanentes de empresas estrangeiras”, diz.
Ele também questiona a eficiência dessas soluções em contextos de pesquisa. “Na medicina, pode fazer sentido. Mas, na pesquisa, onde há necessidade de flexibilidade e adaptação, as limitações são maiores”, argumenta.
Diante desse cenário, a infraestrutura de liquefação e reciclagem de hélio torna-se ainda mais estratégica, assim como as ações para evitar dissipações. Apesar de iniciativas bem-sucedidas como a do IF, da USP, o cenário indica que o Brasil ainda carece de uma política nacional para o hélio. Afinal, garantir o acesso ao insumo vai além da simples compra. É necessário investir em infraestrutura para a recuperação e a reliquefação. Por tudo isso, a ausência de planejamento integrado preocupa a comunidade científica.
Em meio a perdas inevitáveis, o desafio é usar melhor o hélio
Em um cenário de oferta limitada e custos elevados, como o descrito por pesquisadores brasileiros, o desafio global envolvendo o hélio envolve sua gestão eficiente. “Como regra, o hélio é obtido como subproduto da extração e do processamento do gás natural”, explica Manfred Bayer, da Universidade Técnica de Dortmund (Alemanha). “Para isolá-lo, o gás natural é resfriado até que todos os componentes se tornem líquidos, exceto o hélio, que tem o menor ponto de ebulição entre todos os elementos.”
Contudo, essa mesma característica está na origem do problema. “Se o hélio chega à atmosfera, ele sobe rapidamente e se perde”, afirma. Por isso, segundo o físico, mesmo sendo essencial em diversas aplicações científicas, trata-se de um recurso que exige parcimônia. “Atualmente, assume-se que os suprimentos globais de hélio durarão cerca de 70 anos. Mesmo assim, devemos utilizá-lo com muito cuidado.”
Na prática, isso implica mudanças na forma como o gás é utilizado em laboratórios e em instalações técnicas. “Qualquer sistema que opere com hélio deveria estar conectado a um sistema eficiente de recuperação”, diz Bayer, em linha com iniciativas como a do IF da USP.
Ele destaca que, nos sistemas tradicionais, o desperdício é difícil de evitar. “O reabastecimento de um criostato com hélio líquido inevitavelmente resulta em perdas.” Afinal, mesmo em condições controladas, há evaporação contínua. “Em sistemas médicos como os de ressonância magnética, as taxas podem ser de cerca de 0,03 litro por hora; em sistemas mais abertos, aproximadamente dez vezes maiores.”
É por isso que as tecnologias de ciclo fechado ganham relevância. “Com o manuseio adequado, as perdas de hélio são significativamente menores durante a operação normal do que nos sistemas tradicionais”, afirma. “Idealmente, um sistema seco não apresenta perdas.” Embora esses equipamentos já tenham enfrentado críticas, inclusive por demandarem um compressor para recomprimir o hélio evaporado, o que pode gerar vibrações, Bayer observa que esse obstáculo “parece ter sido, em grande parte, resolvido”.
Ao reforçar a necessidade de recuperar e reutilizar o gás sempre que possível, o pesquisador elogia qualquer tipo de esforço para reduzir desperdícios e garantir a autonomia no uso de um recurso que, uma vez perdido, não pode ser recuperado.
Por Leandro Haberli
