Недооцененный элемент
Гелий - один из самых незаметных элементов периодической таблицы. Однако в медицине и фундаментальных исследованиях это необходимо. Теперь исследователи предупреждают о надвигающемся дефиците.
Для химиков гелий довольно скучен. Он не пахнет, не горит и с впечатляющим упорством избегает комбинаций с другими элементами. Тем не менее материал, названный в честь бога солнца Гелиоса, - это подарок небес: он сдерживает искры при сварке стальных сплавов. В полупроводниковой промышленности он используется для затопления производственных камер, чтобы обеспечить максимально инертную, то есть нереактивную, среду во время производства микросхем. И НАСА использует его для промывки ракетных баков: поскольку гелий легче воздуха, он быстро вытесняет сгоревшее топливо из контейнера.
Наиболее важными областями применения инертного газа являются ускорители частиц и ядерно-спиновые или магнитно-резонансные томографы (МРТ), где он используется для охлаждения. Даже чуть выше абсолютного нуля он остается ликвидным - свойство, которым не может похвастаться ни один другой элемент. Гелий всегда востребован, когда катушки магнитов на основе ниобия и титана необходимо сделать сверхпроводящими. Это происходит только при морозе в два градуса по Кельвину. Без результирующего чрезвычайно сильного магнитного поля атомные ядра, движущиеся со скоростью света, так же мало могли бы удерживаться на круговой траектории, как и магнитный момент отдельных атомных ядер в тканях человека..
«Гелий до сих пор был незаменим в МРТ и ускорителях частиц», - резюмирует Вольфганг Санднер, вице-президент Немецкого физического общества (DPG). В сентябре прошлого года DPG опубликовала специальную статью, предупреждающую о надвигающейся нехватке гелия.«Мы должны быть более дальновидными, чем раньше», - предупреждает Санднер. Недавно трое исследователей последовали их примеру в научном журнале Nature. Они нашли более резкие слова: «Хватит тратить гелий впустую!» - требуют Уильям Наттолл, Ричард Кларк и Бартек Гловацкий.
Предупреждение ученых, работающих с Наттоллом в Кембриджском университете, имеет веские причины: по данным Геологической службы США, в земле все еще дремлет 31 миллиард кубических метров газа, которого хватило бы на более 200 лет с учетом текущего износа. Но потребление быстро растет. Только в Азии спрос вырос почти на треть с 2009 года, по оценке отраслевого журнала Cryogas International. Анализ рынка также предполагает, что технологические приложения потребуют в 2030 году вдвое больше гелия, чем в настоящее время.
Конечный ресурс
Промышленность уже чувствует тот факт, что гелий является исчерпаемым ресурсом.«В течение нескольких месяцев мы испытывали особенно выраженный дефицит», - говорит Томас Менне из компании Air Products, поставщика гелия. Компания предлагает услугу экстренного гелия, которая обеспечивает клиентам пополнение охлаждающей жидкости в течение 24 часов. В основном это используется в клиниках и научно-исследовательских институтах, чьи магниты ломаются, если их не охлаждать слишком долго. Сейчас такие ЧП бывают два-три раза в неделю, говорит Менне, потому что поставки от других поставщиков отсутствуют.
С космической точки зрения, земная нехватка демонстрирует определенную иронию: поскольку гелий является вторым наиболее распространенным элементом во Вселенной, он был произведен в огромных количествах вскоре после Большого взрыва, и процессы ядерного синтеза все еще продолжают его воспроизводство. внутри звезд сегодня. Однако на Земле все зависит от спонтанного распада атомных ядер урана или тория, происходящего глубоко в мантии Земли. Большая часть гелия, образовавшегося за миллионы лет, вырывается из земли и улетает в космос. Только когда он образуется под подземными кавернами особой формы (где также скапливается природный газ), он остается в ловушке на своем пути вверх.
Но такие геологические созвездия редкость. Немногие из известных газовых месторождений содержат не менее 0,3% гелия; С этого момента выделение благородного газа считается выгодным. Во-первых, «сырой гелий» приходится выделять из природного газа на специальной установке по переработке - при этом используется тот факт, что вещество остается газообразным при высоких давлениях и температурах, а природный газ становится жидким. Затем гелий очищают, сжижают и, наконец, прессуют в резервуары емкостью почти 40 000 литров. На грузовиках они обычно проезжают тысячи километров к потребителю.
Стратегический
Гелий в Европу поступает из Алжира, Польши или США, где бездействуют крупнейшие в мире залежи гелия. Месторождение природного газа Хьюготон простирается на сотни миль от западного Канзаса до Техаса. Систематическая добыча началась здесь еще в 1920-х годах. Во время Первой мировой войны было показано, что гелий как наполнительный газ для дирижаблей и дирижаблей явно превосходит легковоспламеняющийся водород. Его значение продолжало расти во время холодной войны. Во время программы «Аполлон» было использовано в десять раз больше гелия, чем в 1945 году. Только запуск ракеты-носителя «Сатурн-5» израсходовал 370 000 кубометров.
В разгар холодной войны правительство США решило создать запасы гелия из-за его стратегической важности. К середине 1990-х годов государственные и частные производители закачали 900 миллионов кубометров гелия в «Национальный запас гелия», подземную пещеру недалеко от Амарилло, штат Техас. Однако расходы на хранение в размере 1,3 миллиарда долларов полностью покрываются налогоплательщиком. После окончания холодной войны Вашингтон передумал и сбросил запасы на рынок, чтобы окупить затраты на хранилище. Согласно «Закону о приватизации гелия», весь хранящийся гелий должен быть продан к 2015 году.
Закон означал, что ископаемое вещество продавалось по смешным ценам на рубеже тысячелетий. Будь то для надувания кричащих пластиковых фигурок и воздушных шаров на парадах и детских днях рождения, в качестве примеси в баллонах с газом для дайвинга или подушках безопасности: дешевый гелий лился в изобилии, потому что каждый год законно прописанное количество гелия из заповедника Амарилло наводняло рынок. Теперь Америка осознала эту проблему, и Конгресс обсуждает, в конце концов, не опустошить Национальный запас гелия к 2015 году. Если этого не произойдет, через 10-15 лет вы станете импортером гелия, предсказала комиссия экспертов во главе с лауреатом Нобелевской премии по физике Робертом Ричардсоном в отчете, опубликованном в 2010 году.
Хватит тратить гелий! (Уильям Наттолл)
В настоящее время 77 процентов гелия все еще добывается в Соединенных Штатах. Но вскоре акцент сместится в сторону Катара: с 2013 года там планируется ввести в эксплуатацию крупнейшее в мире производство. В долгосрочной перспективе интерес представляют и российские газовые месторождения, например Ковыктинское, где компания «Газпром» планирует к концу десятилетия добывать гелий из природного газа.
Отчаянно ищу новые источники
Но что, если и эти залежи иссякнут? Источников гелия, кроме природного газа, не предвидится. Газ также содержится в атмосфере. Однако концентрации настолько малы, что фильтрация считается безнадежно неэффективной. О ядерном синтезе, при котором - аналогично тому, что происходит внутри Солнца - сливаются два ядра водорода с образованием гелия, также не может быть и речи в качестве поставщика. «Количество, которое накапливается в реакторе, ничтожно мало», - говорит автор «Nature» Ричард Кларк, который также проводит исследования в Калхемском центре термоядерных исследований. По словам Кларка, гелия, произведенного в полноценном термоядерном реакторе, недостаточно даже для удовлетворения собственных потребностей. Потому что термоядерный реактор также нуждается в большом количестве жидкого гелия из-за его сверхпроводящих катушек. А заменить их высокотемпературными сверхпроводниками, которые также можно охлаждать другими способами, не удается из-за свойств их материала: они пока слишком хрупкие, чтобы их можно было согнуть в катушки.
Даже идея добычи гелия с Луны не может решить проблему. Поскольку следы инертных газов, оставленные солнечным ветром на поверхности Луны, представляют собой гелий-3; один из двух стабильных изотопов гелия, который используется только в специальных вариантах холодильных машин в качестве примеси к гелию-4. Американские спецслужбы особенно интересуются предполагаемым чудо-материалом с Луны. Они ценят гелий-3 за его использование в детекторах нейтронов, установленных в каждом аэропорту США в сентябре 2011 года для обнаружения там грязных бомб.
Первое решение проблемы нехватки гелия - экономить. В большинстве случаев для сварки и промывки ракетных баков можно использовать и другие инертные газы, говорят такие эксперты, как Вольфганг Санднер. А там, где нет альтернативы гелию, необходимо максимально сократить потребление благородного газа. Институт исследования твердого тела и материалов им. Лейбница (IFW) в Дрездене уже демонстрирует, как это может выглядеть. Гелий, нагретый при охлаждении аппаратов МРТ института и, таким образом, вновь ставший газообразным, подается на перерабатывающий завод и сжижается..
Экономия означает лишь то, что нынешний дефицит несколько смягчается (Кристоф Хаберстро)
Только десять процентов гелия теряется при переработке, сообщает Дирк Линдакерс из IFW. Теперь вам придется намного реже заказывать газ. Кроме того, времена, когда вам приходилось сбрасывать сырье в атмосферу, прошли, потому что оно заполняет все доступные резервуары за очень короткое время из-за того, что его объем в 750 раз превышает объем жидкой фазы. Завод по переработке также установлен в женевском центре ядерных исследований CERN. Однако он может перерабатывать только три четверти из 850 000 кубических метров гелия, протекающего через магниты Большого адронного коллайдера в любой момент времени..
Но эксперты говорят, что экономия должна быть только первым шагом. В журнале Nature Ричард Кларк и его коллеги выступают за создание агентства по управлению глобальными поставками гелия. «Экономия означает лишь то, что нынешний дефицит несколько уменьшится», - объясняет Кристоф Хаберстро из Технического университета Дрездена, который проанализировал глобальные запасы жидкого гелия в своей дипломной работе. Если вы все еще хотите иметь гелий через несколько сотен лет, вы должны значительно расширить добычу сейчас и получить больше гелия, чем в настоящее время можно продать на рынке. Этот излишек можно хранить на складе для будущих поколений.«Каждый раз, когда вы производите природный газ, вы должны отделять гелий, даже если его концентрация низка», - говорит он. В противном случае при сжигании неочищенного природного газа человечество потеряло бы немного больше ценного вещества.