Helio líquido: aplicaciones de la criogenia extrema

¿Qué es el helio líquido?

Definición de helio líquido y diferencia con el helio gaseoso

El helio líquido representa el estado final de la materia a baja temperatura. Es el único elemento de la tabla periódica que no se solidifica a presión atmosférica, incluso cuando alcanza el cero absoluto (0 Kelvin). Para la comunidad científica e industrial, no es simplemente un gas a temperaturas criogénicas, sino una herramienta termodinámica única que permite acceder a comportamientos físicos exóticos, como la superconductividad.

A diferencia del helio en estado gaseoso, el estado líquido dicta su uso y la infraestructura necesaria:

• Helio gaseoso: se valora por su gran capacidad de difusión y su ligereza. Es el trazador ideal para la detección de fugas, para soldadura, procesos de inertización o como gas portador en cromatografía.
• Helio líquido: es la forma en la que el helio revela todo su potencial criogénico. Su principal característica es su ratio de expansión: un solo litro de líquido libera unos 750 litros de gas al calentarse. Esta diferencia física exige recipientes térmicos especializados (Dewars) y medidas de seguridad estrictas para gestionar el aumento de presión y prevenir cualquier riesgo de anoxia.

Proceso de licuefacción del helio

La licuefacción del helio es un hito de la física que se logró por primera vez en 1908 por Heike Kamerlingh Onnes. A nivel industrial, este desafío tecnológico se realiza en plantas especializadas mediante un proceso cíclico de varias etapas:

1. Purificación y compresión: el helio gaseoso debe purificarse exhaustivamente, ya que a temperaturas criogénicas cualquier impureza (como aire o humedad) se solidificaría instantáneamente, bloqueando los equipos. Tras esto, el gas se comprime a presiones elevadas.
2. Preenfriamiento: dado que el helio tiene una temperatura de inversión muy baja (aprox. 40 K), no se puede enfriar simplemente expandiéndolo a temperatura ambiente. Por ello, se utilizan intercambiadores de calor, empleando a menudo nitrógeno líquido para reducir la temperatura inicial de forma eficiente.
3. Expansión y trabajo mecánico (Ciclo Claude): el gas circula por turbinas de expansión. Al realizar un trabajo mecánico al expandirse, el gas pierde energía interna, lo que provoca una caída drástica de su temperatura.
4. Efecto Joule-Thomson: en la etapa final, el helio atraviesa una válvula de expansión (Joule-Thomson). En este punto, el enfriamiento es suficiente para alcanzar los -269 °C (4,2 K), donde parte del gas se condensa finalmente en estado líquido para ser almacenado en contenedores de alto aislamiento térmico.

Propiedades físicas y características del helio líquido

El interés por el helio reside, ante todo, en su "nobleza" química. Su inercia total es una garantía de seguridad absoluta para los procesos sensibles: no interactúa con ninguna otra sustancia, preservando la integridad de los materiales y las muestras incluso en las condiciones más drásticas de presión y temperatura.

Además de esta estabilidad, su bajísima masa molecular le confiere una conductividad térmica notable, esencial para los intercambios de calor en procesos de refrigeración. No obstante, este rendimiento exige una pureza irreprochable; a estos niveles de temperatura, cualquier rastro de aire o humedad se solidificarían instantáneamente, dañando de forma irreversible las instalaciones criogénicas.

Temperatura, densidad, viscosidad y conductividad térmica

Para un control preciso de los sistemas criogénicos, es fundamental conocer los valores físicos del helio líquido. A continuación, se detallan los parámetros técnicos más relevantes a presión atmosférica:

• Temperatura de ebullición: 4,2 K (aproximadamente -269 °C).
• Densidad (fase líquida): cerca de 125 kg/m³.
• Capacidad calorífica: aproximadamente 5,19 kJ/(kg·K).
• Viscosidad: extremadamente baja, en torno a los 3,3 µPa·s.
• Conductividad térmica: excepcional, especialmente cuando el fluido alcanza su estado superfluido.

¿Por qué el helio líquido es considerado el líquido más frío del mundo?

El helio es la sustancia con el punto de ebullición más bajo de todos los elementos químicos. Mientras que otros gases se solidifican mucho antes, el helio permanece líquido hasta alcanzar las cercanías del cero absoluto (0 K o -273,15 °C). Esta proximidad térmica lo convierte en el único fluido capaz de actuar como refrigerante en aplicaciones donde otros líquidos industriales resultan insuficientes.

Qué es la superfluidez y por qué ocurre en el helio líquido

Cuando el helio se enfría por debajo de los 2,17 K (el denominado punto lambda), experimenta una transición de fase hacia un estado conocido como Helio II. En este estado cuántico, el helio se vuelve en un superfluido: su viscosidad desaparece por completo, permitiéndole fluir sin fricción incluso a través de poros microscópicos y ascender por las paredes de los recipientes. Esta propiedad única permite una homogeneidad térmica perfecta, eliminando cualquier gradiente de temperatura en los sistemas refrigerados.

Aplicaciones del helio líquido en sectores de alta tecnología

¿Para qué sirve el helio líquido?

El helio líquido es el refrigerante criogénico definitivo para aplicaciones que operan en el extremo más bajo de la escala térmica. Su función es actuar como un baño de frío de alta estabilidad que permite alcanzar estados físicos únicos, como la superconductividad, esenciales para la alta tecnología.

Su importancia se entiende mejor al compararlo con otros tipos de fluidos:

• Comparativa con el nitrógeno líquido: el nitrógeno es una solución eficiente para alcanzar los -196 °C (77 K), pero el helio es el único recurso capaz de descender hasta los -269 °C (4,2 K). Esta diferencia es crítica para enfriar imanes de alta potencia y sensores de precisión que no funcionan con nitrógeno.
• Estabilidad térmica: al sumergir componentes en helio líquido, se elimina el ruido térmico y se garantiza una temperatura constante y homogénea, algo vital para la viabilidad de proyectos científicos y médicos de vanguardia.

¿Para qué sirve el helio líquido?

El helio líquido es el pilar invisible de la tecnología de vanguardia. Su capacidad para estabilizar los átomos eliminando el ruido térmico lo convierte en un recurso indispensable para la física moderna, abriendo la puerta a la observación de los fenómenos cuánticos más sutiles. Es la pieza clave en la investigación de la materia condensada y las nanotecnologías.

A diferencia de otros refrigerantes industriales como el nitrógeno líquido, útil hasta los -196 °C, el helio es el único capaz de llevarnos a las fronteras del cero absoluto. Para aplicaciones que requieren un frío aún más extremo, del orden del milikelvin, la industria recurre al isótopo helio-3, indispensable para el funcionamiento de los refrigeradores de dilución utilizados en el desarrollo de ordenadores cuánticos.

Imagen y espectrómetros de resonancia magnética (IRM/RMN)

El helio líquido es indispensable para el funcionamiento de los equipos de Imagen por Resonancia Magnética (IRM) y Resonancia Magnética Nuclear (RMN) de alto campo. Su función principal es garantizar la estabilidad de la señal mediante un enfriamiento extremo. Sus principales ventajas para el diagnóstico y la investigación son:

• Superconductividad: a -268,9 °C (4,2 K), mantiene las bobinas de los imanes por debajo de su temperatura crítica. Esto las vuelve superconductoras, permitiendo crear un campo magnético potente, estable y sin pérdidas de energía.
• Estabilidad de campo: asegura una estabilidad térmica absoluta, manteniendo un campo magnético perfectamente homogéneo. Este factor es crucial tanto para la resolución de las imágenes médicas como para el análisis espectral de alta precisión en laboratorios.
• Seguridad y durabilidad: al ser un gas noble inerte, el helio previene cualquier reacción química dentro del sistema, preservando la integridad de los materiales y prolongando la vida útil de estos equipos de alta tecnología.

Investigación científica y física de partículas

Sin helio, la investigación fundamental estaría detenida. Los grandes aceleradores de partículas dependen de kilómetros de imanes superconductores mantenidos permanentemente en un baño de helio superfluido para guiar los haces de partículas a velocidades cercanas a la de la luz. En estas instalaciones, mantener la cadena de frío es vital: cualquier interrupción provocaría una pérdida repentina de la superconductividad, poniendo en peligro equipos de un valor estratégico y económico incalculable.

Otras aplicaciones industriales del helio líquido

Aeronáutica y aeroespacial

La industria espacial es una de las mayores consumidoras de helio líquido para sus lanzadores. En este sector, el helio desempeña un papel de presurización fundamental: se inyecta en los tanques de combustible (hidrógeno y oxígeno líquidos) para empujar los propergoles hacia los motores a medida que los depósitos se vacían. Debido a que el helio no se solidifica incluso en contacto con el oxígeno líquido, es el único elemento capaz de asegurar que se mantenga la presión estructural de los tanques durante toda la fase de ascenso del cohete.

Electrónica

En un entorno de constante miniaturización tecnológica, la gestión térmica se ha vuelto un factor esencial. La fabricación de semiconductores, al igual que el estirado de las fibras ópticas, genera un calor intenso que debe evacuarse de forma instantánea para evitar defectos estructurales en los materiales. El helio, gracias a su excepcional capacidad de transferencia térmica, se utiliza para enfriar el sistema de obleas (wafers) o para controlar con precisión la atmósfera de fabricación. Esta intervención influye directamente en el rendimiento y la calidad de los componentes electrónicos que forman parte de nuestros dispositivos cotidianos.

Uso en criogenia y física cuántica

Esta estabilidad térmica es fundamental para la física moderna. Al estabilizar los átomos y eliminar el ruido térmico, el helio líquido permite observar los fenómenos cuánticos más sutiles, convirtiéndose en una pieza clave para la investigación de la materia condensada y las nanotecnologías. Para aquellas aplicaciones que requieren un frío aún más extremo, en el orden del milikelvin, la industria recurre al isótopo helio-3. Este recurso es indispensable para el funcionamiento de los sistemas de refrigeración - refrigeradores de dilución - sistemas utilizados especialmente en el desarrollo de la computación cuántica.

Modos de suministro de helio líquido

La logística del helio exige una gestión constante de la estabilidad térmica. Para limitar la tasa de evaporación natural, Air Liquide ha optimizado cada etapa de la cadena de suministro.

Suministro de helio líquido

La distribución de helio líquido requiere una gestión rigurosa para limitar la evaporación natural del producto. Se basa en un conjunto de contenedores criogénicos aislados de manera muy precisa que recorren el mundo desde las fuentes de producción. Para el usuario final, el líquido se trasvasa a Dewars móviles (para pequeños volúmenes de laboratorio) que se entregan posteriormente en las instalaciones del cliente.

Air Liquide: su socio experto en criogenia

Ante estos importantes desafíos técnicos y logísticos, Air Liquide se posiciona como el garante de su continuidad operativa. No nos limitamos a entregar un producto, le aportamos una solución global.

Modos de suministro disponibles

Air Liquide adapta el envase a su realidad y necesidades operativas:

• Recipiente de helio líquido (RH) o Dewar (65 a 450 litros): ideales para laboratorios y para el llenado de espectrómetros de resonancia magnética (IRM, RMN). Son recipientes ligeros, equipados con ruedas y con un sistema de superaislamiento.
• Contenedores ISO de helio: diseñados para grandes consumidores industriales. Instalamos depósitos fijos conectados mediante líneas aisladas al vacío para conducir el líquido hasta el punto de uso con la mínima pérdida térmica.

Requisitos de transporte y almacenamiento seguro

La manipulación de helio líquido exige protocolos de seguridad rigurosos debido a su temperatura extrema y su alta capacidad de expansión. En Air Liquide, la seguridad es la prioridad absoluta, por lo que el almacenamiento y transporte se rigen por los siguientes pilares técnicos y normativos:

• Gestión de la presión y temperatura: el helio líquido se expande en una proporción de aproximadamente 1 a 700 al pasar a estado gaseoso. Por ello, los depósitos y Dewars deben contar con sistemas de alivio de presión inspeccionados periódicamente. Es fundamental cerrar el grifo cuando el recipiente no esté en uso y mantener la válvula siempre limpia de aceites y grasas.
• Almacenaje y ventilación: las botellas y recipientes deben almacenarse siempre en posición vertical y sujetos por cadenas o correas. El área de almacenaje debe estar señalizada, lejos de las salidas de emergencia y contar con una buena ventilación para prevenir el riesgo de anoxia.
• Manipulación y protección personal: el contacto directo con el helio líquido provoca quemaduras criogénicas instantáneas. Los colaboradores deben utilizar siempre Equipos de Protección Individual (EPI) específicos, que incluyen guantes, zapatos y gafas de seguridad, entre otros.
• Normativa y transporte: el transporte de helio líquido en España está sujeto al ADR. Para el movimiento en las instalaciones, se deben utilizar siempre equipos de manipulación de botellas, evitando riesgos como cargar botellas sobre los hombros o mover varias a la vez.

¿Tiene un proyecto que requiera helio líquido?

Nuestros expertos están a su servicio para analizar sus necesidades y orientarle hacia la solución más eficiente para su actividad y sus requisitos específicos.

Preguntas frecuentes sobre el helio líquido (FAQ)

¿A qué temperatura el helio se vuelve líquido?

El helio alcanza su estado líquido a una temperatura de -268,9 °C (equivalente a 4,2 K). Es el elemento con el punto de ebullición más bajo de la naturaleza, lo que lo convierte en el refrigerante definitivo para alcanzar el frío extremo.

¿Para qué se usa el helio líquido?

Se utiliza principalmente como un refrigerante indispensable en aplicaciones de alta tecnología. Sus usos clave incluyen la creación de campos magnéticos potentes mediante superconductividad, la presurización de tanques en la industria aeroespacial, el enfriamiento rápido en la fabricación de semiconductores y el desarrollo de la computación cuántica.

¿Para qué sirve el helio líquido en medicina o investigación?

En medicina, es vital para los equipos de IRM (Imagen por Resonancia Magnética), donde enfría las bobinas magnéticas para obtener imágenes de alta resolución. En el ámbito de la investigación científica, el helio líquido es fundamental para el funcionamiento de los espectrómetros de RMN, así como en aceleradores de partículas. En estos entornos, permite alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto para eliminar el ruido térmico y estudiar la materia con una precisión extrema.

¿Cuál es el precio del helio líquido?

El precio del helio líquido es variable y depende de varios factores estratégicos: el grado de pureza del gas, el volumen contratado (desde pequeños Dewars hasta contenedores ISO), la estabilidad de la cadena de suministro global y los costes logísticos asociados al transporte especializado.