L’Hélium Document d’accompagnement pour des activités pédagogiques








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L’Hélium

Document d’accompagnement pour des activités pédagogiques 


Chacun, en fonction du niveau et de ses objectifs d’enseignement, pourra sélectionner au sein des informations suivantes ce qui lui semble le plus adapté pour la mise en place d’activités pédagogiques sur le thème de l’hélium, de ses propriétés et de son utilisation.



1.
Découverte de l’hélium :

C’est au cours de l'éclipse totale du Soleil du 18 août 1868, que le français Janssen et les britanniques Lockyer et Frankland ont analysé le spectre de la couronne solaire. Ils ont alors identifié la présence d’une raie brillante dans le jaune (très proche de la raie jaune du sodium découverte trois ans auparavant par Bunsen et Kirchoff) due à un élément chimique inconnu jusqu’alors. Cet élément fut baptisé « hélium », en référence au nom grec du Soleil, « hélios ». Ce n'est qu’en 1895 que cet élément chimique fut identifié sur Terre par le chimiste anglais William Ramsay.

2. Spectre de l’hélium :




A noter dans le spectre d’émission de l’hélium, trois raies brillantes :
- dans le bleu, à 502 nm
- dans le jaune, à 587,6 nm (première raie identifiée)
- dans le rouge, à 668 nm.



3. Propriétés physiques :

Dans les conditions normales de température et de pression, l’hélium est un gaz incolore, inodore, ininflammable et chimiquement inerte.
Sa masse volumique est égale à 0,176 kg.m-3 et sa densité vaut 0,139 (le septième de l’air). C’est un gaz très volatil et les petites dimensions de la molécule d’hélium favorisent son passage au travers des parois.
La vitesse du son dans l’hélium et dans ces conditions physiques est égale à 960 m.s-1 (pratiquement trois fois plus que dans l’air)

Sous une pression de 1013 hPa, la température d’ébullition de l’hélium a pour valeur
-268,9°C. Au dessous de cette température, l’hélium se présente sous forme liquide, avec une densité égale à 0,124.
Si on abaisse la pression, l’hélium devient un superfluide encore plus froid. C’est ainsi que les équipes du CERN (Centre Européen de Recherches Nucléaires) ont battu le record de cryogénie en avril 2007, avec une température de 1,9 K (inférieure à celle de l’espace interstellaire) lors de la mise au point du LHC (large Hadron Collider), accélérateur de particules dont les aimants supraconducteurs sont refroidis à l’hélium liquide (*).
Sa température de fusion est de -272,6°C sous une pression de 2600 kPa.
L’hélium a une conductibilité thermique élevée.

(*) Pour en savoir plus : lire l’article du bulletin du CERN : http://bulletin.cern.ch/fre/articles.php?bullno=16/2007&base=art


4. Propriétés chimiques :

L’hélium est un gaz inerte et cela lui confère de l’intérêt pour de nombreuses applications.
Du point de vue de la sécurité, l’évaporation de l’hélium liquide produit un volume de gaz 750 fois plus important qui remplace l’air initialement présent, d’où un risque d’asphyxie par manque d’oxygène. Toute manipulation d’hélium doit donc s’effectuer dans un local très ventilé.


5. Abondance naturelle et extraction :

L’hélium est très abondant dans l’univers (second constituant de l’univers, après l’hydrogène), mais très rare sur Terre, seulement à l’état de traces dans l’atmosphère (moins de 0,0005 %). Heureusement, il peut être assez présent dans les gisements de gaz naturel (jusqu’à 7%) et c’est de là qu’on l’extrait de façon industrielle, par distillation fractionnée. Les sites de production se situent pour l’essentiel en Algérie, au Canada, aux Etats-Unis et en Russie (La Russie pourrait produire 40 % de l’hélium mondial vers 2030)


6. Applications et exemples :








Ci-dessus : Répartition des principaux domaines d’utilisation de l’hélium au cours de l’année 2000 (aux USA).


- cryogénie
 : surtout pour la supraconductivité (alimentation des gros électroaimants…)
- lanceurs : la pressurisation des réservoirs de fusées fait appel à l’hélium
- soudage : l’hélium empêche tout phénomène d’oxydation
- contrôle d’atmosphère : grâce à l’inertie chimique de l’hélium
- détection de fuites : l’hélium, de par sa capacité à migrer au travers des parois est un bon indicateur de fuites .
- off-shore : l’heliox (80% d’hélium, 20% de dioxygène) est indispensable pour la plongée profonde
- autres : applications médicales, lasers He-Ne, ballons météo, dirigeables…




exemple 1 : Gonflage du ballon dirigeable de la mission Total Pole Airship :



Le ballon contient 4700 m3 d’hélium, soit environ 825 kg d’hélium. La masse d’air correspondant à un tel volume vaut environ 6075 kg. L’écart (5250 kg) correspond à la masse qui peut être soulevée par la poussée d’Archimède. Pratiquement, cela représente la masse de l’enveloppe, des moteurs, des gouvernes, de la nacelle et de sa charge utile.
A noter que du fait de l’aptitude de l’hélium à migrer au travers des parois, il faut régulièrement compenser les pertes (estimées à 1 l d’hélium par jour et par m2 de surface d’enveloppe).








L’enveloppe avant gonflage




Ouverture de la vanne d’hélium






En cours de gonflage ;
à gauche, la citerne d’hélium liquide


Le dirigeable gonflé ; remarquer les poids suspendus à l’enveloppe.


Les images ci-dessus sont extraites d’une vidéo réalisée par « Air liquide », partenaire de l’opération. Pour voir cette vidéo sur le gonflage du dirigeable à l’hélium : http://www.airliquide.com/fr/le-groupe/developpement-durable-1/partenaire-de-jean-louis-etienne-1/une-expedition-gonflee-a-l-helium.html
Exemple 2 : Pressurisation des réservoirs d’un lanceur Ariane 5 :

Le composite inférieur du lanceur européen Ariane 5 comporte deux étages accélérateurs à poudre (EAP) situés de part et d’autre de l’étage principal cryotechnique (EPC).
L’étage principal cryotechnique (26 t de H2 et 132 t deO2 liquides) est propulsé par le moteur Vulcain. Ce dernier, allumé et contrôlé au sol avant le décollage délivre une poussée qui varie entre 1140 et 1200 kN dans le vide et consomme son carburant en 589 s.
Au cours de la réaction de combustion des 26 tonnes de dihydrogène avec les 132 tonnes de dioxygène (en moins de 10 minutes), il faut maintenir la pression dans ces réservoirs. Pour le dioxygène, , cela est assuré par une réserve de 145 kg d’hélium liquide à – 266°C sous 3500 hPa. La vaporisation de l’hélium au contact du dioxygène liquide à – 183°C assure la pressurisation du réservoir de dioxygène au fur et à mesure que celui-ci se vide.






Ci-dessus :
vue d’ensemble de l’EPC du lanceur
Ariane 5.
Copyright ESA – CNES - Arianespace

Ci-dessus :
vue de la base de l’EPC, avec le moteur Vulcain.
La sphère située à gauche de l’EPC est le réservoir d’hélium chargé d’assurer la pressurisation du réservoir de dioxygène lors du lancement.
Copyright ESA – CNES - Arianespace


Pour en savoir plus sur le lanceur Ariane 5, consulterle site « Educnet/orbito » :
http://160.92.130.159/orbito/lanc/archi/archi51.htm



JC ; novembre 2007

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