О том, как гелий связан с Солнцем, почему без него не работают томографы и чем грозит миру гелиевый кризис, рассказывают заведующая кафедрой общей и неорганической химии Химического факультета ЮФУ, доктор химических наук Инна Лисневская и преподаватель той же кафедры, инженер Дмитрий Поподько.

Открытие, изменившее представление о Вселенной

18 августа 1868 года французский астроном Пьер Жюль Сезар Жансен наблюдал полное солнечное затмение в Индии. Он настроил свой спектроскоп на изучение солнечных выбросов и заметил в их спектре яркую желтую линию, которую не мог идентифицировать.

Независимо от этого английский астроном Норман Локьер также изучал спектр Солнца и увидел ту же самую загадочную желтую линию. Локьер понял, что эта линия не соответствует ни одному из известных на тот момент земных элементов.

Гелий стал первым элементом, открытым не на Земле, а в космосе, что дало начало развитию современной астрофизики. На Земле его обнаружили только спустя почти 30 лет: шотландский химик Уильям Рамзай выделил газ из урановой руды — клевеита. Позже Эрнест Резерфорд, используя альфа-частицы (ядра гелия-4), открыл существование атомного ядра и создал планетарную модель атома. Изучение спектра гелия помогло подтвердить теорию относительности и квантовую теорию.

«Открытие гелия привело к пониманию термоядерного синтеза — процесса, который питает звезды. Мы узнали, что внутри Солнца водород превращается в гелий, выделяя колоссальную энергию. Во Вселенной имеются невероятно большие запасы гелия, звёзды, например, состоят на 25% по массе из него. Однако для Земли этот элемент невероятно лёгкий, потому свободно покидает атмосферу, и инертный. Несмотря на это, некоторые запасы гелия существуют и на нашей планете: газ накапливался в недрах земли в результате распада, например, урана, и застревает в тех же геологических ловушках, что и природный газ», — рассказала Инна Лисневская.

Температура, близкая к абсолютному нулю, и другие поводы для гордости

Почему гелий так важен для современных технологий? Ответ кроется в его уникальных физических свойствах.

«Для нас гелий имеет самую низкую температуру сжижения, которую можно достичь с помощью жидкости: примерно 4 К (–269 °C). Это свойство используется для охлаждения сверхпроводников, которые применяются в привычных нам аппаратах МРТ. Например, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе использует почти 120 тонн жидкого гелия, чтобы держать свои сверхпроводящие магниты в рабочем состоянии. Современные квантовые компьютеры работают при температурах, близких к 0 К, что достижимо только при использовании гелия», — поясняет Инна Лисневская.

Второе ключевое свойство — химическая инертность. Гелий не вступает в реакции ни при каких условиях, не горит, не взрывается, не токсичен, не вызывает коррозии. Водород, например, тоже очень лёгкий, но он взрывоопасен.

«При сварке алюминия, нержавейки и титана (например, в аэрокосмической отрасли) в зону сварки подают гелий. Он создаёт инертное облако, которое защищает раскалённый металл от кислорода и азота из воздуха, иначе швы станут хрупкими и пористыми. Кремниевые пластины для чипов обрабатываются в среде гелия, так как он не оставляет следов и не вступает в реакцию», — добавил Дмитрий Поподько.

Третье важное свойство — маленький размер атома. Атом гелия — самый маленький (после водорода) и очень быстрый. Он просачивается сквозь мельчайшие поры и трещины, которые кажутся герметичными для других газов. Это свойство используется в гелиевых датчиках — главном инструменте контроля качества в космической отрасли, вакуумной технике и производстве газопроводов.

Расточительное развлечение

Гелий образуется в земной коре при распаде урана и тория, после чего просачивается сквозь слои земли и частично попадает в ловушки вместе с природным газом. При добыче газа происходит разделение смеси и выделение гелия.

«В подавляющем большинстве случаев в воздушные шарики закачивают не чистый гелий, а техническую газовую смесь, состоящую, кроме гелия, ещё из азота, кислорода и иногда водяного пара. Делается это из экономических соображений: для поддержания полёта шариков важно только, чтобы газ был легче воздуха. Водород взрывоопасен, а следующий по весу газ — гелий, незначительное количество которого сильно уменьшает массу всей смеси», — рассказывает Дмитрий Поподько.

Нельзя однозначно сказать, расточительство это или нет. С одной стороны, мы действительно теряем редкий ресурс. С другой — для гелиевых шариков используется гелий самой низкой степени очистки, который не подходит для работы чувствительных аппаратов МРТ и коллайдеров. В итоге получается так, что выделение гелия из газовой смеси экономически не выгодно, потому что самого гелия получается немного. Проще уже использовать загрязнённый продукт в коммерческих целях и к радости детворы.

Основные же объёмы гелия уходят совсем на другие нужды. Медицина (прежде всего томографы МРТ), производство полупроводников и оптоволокна, ракетостроение, атомная промышленность, научные исследования — вот где гелий действительно незаменим. И спрос на него только растёт.

Почему мир говорит о гелиевом кризисе

Ситуация с гелием в мире далека от безоблачной. Исторически сложилось так, что США были главным игроком на рынке гелия. Ещё в 1920-х годах там создали Национальный резерв гелия — огромное подземное хранилище (Клиффсайдское месторождение в Техасе), куда десятилетиями закачивали гелий как стратегическое сырьё (сначала для дирижаблей, потом для космоса и военной промышленности). К 1990-м годам там скопились колоссальные запасы. В 1996 году США приняли закон, предписывающий распродать этот резерв к 2015 году, чтобы окупить затраты на его создание. Это привело к тому, что рынок наводнился дешёвым гелием, и никто не думал о проблемах.

Но теперь запасы в Клиффсайде практически исчерпаны, закон о распродаже выполнен. «Подушка безопасности» исчезла. Мир зависит от текущей добычи гелия, которая поступает с очень ограниченного числа месторождений — в США, Катаре, Алжире, России.

«Поскольку гелий добывается попутно с природным газом, его производство зависит от работы конкретных газоперерабатывающих заводов. Любая авария на одном из крупных заводов (например, в Катаре или США) мгновенно создаёт мировой дефицит. Такие сбои происходят регулярно, вызывая скачки цен и панику среди потребителей», — добавляет Инна Лисневская.

Спрос на гелий постоянно растёт: миру нужно больше чипов, больше оптоволокна, больше МРТ-исследований. Развитие квантовых компьютеров и новых научных установок только увеличивает потребность в жидком гелии.

«Стоимость гелия выросла в разы за последние 10-15 лет. Для многих исследовательских институтов гелий стал одной из главных статей расхода, и им приходится сокращать эксперименты. Даже за большие деньги его не всегда можно купить в нужном объёме и в нужное время. Бывают периоды, когда поставки задерживаются на месяцы», — отмечает Инна Лисневская.

Осознание конечности гелия привело к тихой революции в науке и медицине. Если раньше жидкий гелий просто испаряли в атмосферу после использования в эксперименте (это называлось "открытая система"), то теперь стандартом становится рециклинг (рекуперация). Рециклинг перестал быть просто "зелёной" инициативой — он стал экономической необходимостью. Если мы не научимся использовать гелий по кругу, то через 50-100 лет наши потомки могут остаться без важнейшего инструмента для познания мира и лечения болезней, потому что мы бездумно выпустили его в космос.

Лунное сокровище

У гелия есть два стабильных изотопа: распространённый гелий-4 и редчайший гелий-3. Последний заслуживает отдельного разговора.

«Основная масса гелия-3 во Вселенной образовалась сразу после Большого взрыва. Но Земля сформировалась позже и не смогла удержать этот лёгкий газ в атмосфере. Поэтому на Земле его ничтожно мало, он образуется при распаде трития, изотопа водорода, на ядерных полигонах и в реакторах. В космосе гелия-3 много. Его непрерывно выбрасывает Солнце в виде "солнечного ветра". Но нашу планету защищает магнитное поле и атмосфера, которые отклоняют этот ветер. Главный же "склад" гелия-3 в Солнечной системе — это поверхность Луны. Миллиарды лет солнечный ветер буквально "заряжал" лунный реголит гелием-3. По оценкам, там его около 1 миллиона тонн», — рассказывает Дмитрий Поподько.

Именно гелий-3 сегодня становится главным экономическим мотивом для возвращения человечества на Луну. После завершения программы «Аполлон» в 1970-х годах интерес к спутнику Земли угас — летать стало не за чем. Теперь ситуация кардинально меняется: и NASA, и Роскосмос, и частные компании всерьёз рассматривают добычу гелия-3 как коммерчески оправданный проект. В США стартап Interlune, основанный бывшим президентом Blue Origin и астронавтом «Аполлона-17» Харрисоном Шмиттом, уже заключил соглашение о создании лунного комбайна, который будет перерабатывать 100 тонн реголита в час, извлекая 20 килограммов гелия-3 в год. Уже подписаны первые контракты на поставку, а стоимость килограмма оценивается минимум в 20 миллионов долларов.

В России Центр Келдыша (входит в Роскосмос) завершил разработку плазменных двигателей, предназначенных в том числе для обеспечения добычи гелия-3 на Луне. NASA также включилось в гонку: агентство отправит на Луну прибор MSOLO для точного определения запасов гелия-3 в реголите — миссия запланирована на 2026 год. Таким образом, гелий-3 сегодня — это не просто экзотический изотоп, а реальный экономический стимул, который заставляет человечество снова всерьёз осваивать Луну спустя полвека забвения.

Детекторы ядерных материалов

Самый амбициозный проект будущего — термоядерный реактор на гелии-3. Реакция синтеза дейтерия (которого много в воде) и гелия-3 выглядит идеально: D + He-3 -> He-4 + p (протон). В отличие от "классической" термоядерной реакции дейтерий-тритий (которая даёт мощный поток нейтронов), реакция с гелием-3 практически не производит радиоактивных нейтронов. Она даёт заряженные частицы (протоны), которые можно преобразовывать в электричество напрямую, без паровых турбин.

«Это означает минимальную наведённую радиоактивность, безопасность и компактность реактора. На сегодняшний день это недостижимый идеал, так как для "поджига" этой реакции нужна температура в 10 раз выше, чем для дейтерий-тритиевой смеси (миллиарды градусов). Поэтому реакторы на гелии-3 — это дело далёкого будущего, которое станет возможным только после освоения Луны как источника сырья», — поясняет Дмитрий Поподько..

Но у гелия-3 есть и вполне земное, уже сейчас востребованное применение. Гелий-3 обладает уникальной способностью "ловить" нейтроны. Когда нейтрон попадает в ядро He-3, происходит реакция, продукты которой легко зарегистрировать. Детекторы на He-3 — это золотой стандарт для поиска расщепляющихся материалов (плутония, урана). Контейнеры с ядерными грузами всегда испускают нейтроны. Детекторы нужны и востребованы уже сегодня, их мы вполне можем использовать.

Россия в гелиевой гонке: сырьевой гигант в поисках технологий

Вопрос о том, насколько Россия независима в гелиевом вопросе — это вопрос технологического суверенитета, и для России он стоит особенно остро, учитывая, что мы обладаем огромными запасами природного газа, а значит, и потенциальными ресурсами гелия. Ситуация здесь парадоксальная: с одной стороны, у нас есть уникальное сырьё, с другой — исторически сложившаяся зависимость от импортных технологий.

С точки зрения добычи гелия у нас всё отлично. Россия — один из мировых лидеров по запасам гелия. Главное месторождение находится в Якутии.

«Газ с Чаянды уникален тем, что содержит рекордно высокий процент гелия — до 0,6%. Для сравнения, в большинстве месторождений США этот показатель составляет 0,3–0,5%, а во многих других странах — сотые доли процента. Это делает разработку Чаянды экономически очень привлекательной», — отмечает Инна Лисневская.

Но добыча — лишь первый шаг. Чтобы получить чистый гелий (особенно тот, что нужен для МРТ и науки), газ нужно сначала отделить от метана и других примесей. Это делается на гелиевых заводах методом низкотемпературной конденсации (криогенной ректификации).

В СССР существовала своя школа криогенного машиностроения. Оренбургский гелиевый завод был построен по советским технологиям. Но после распада СССР и в 90-е годы многие компетенции были утеряны, а производство криогенного оборудования для сложных разделений газов пришло в упадок. Когда "Газпром" начал строить новый Амурский газоперерабатывающий завод (ГПЗ), который и будет перерабатывать газ с Чаянды, выяснилось, что построить его только своими силами мы не можем. Технологии криогенного разделения газов для получения гелия в таких масштабах — это очень сложная задача. В итоге генеральным подрядчиком и поставщиком ключевого оборудования выступила германская компания Linde.

Мало очистить гелий — его нужно доставить потребителю. Самый эффективный способ — сжижение (охлаждение до -269°C), так как в жидком виде он занимает в сотни раз меньше места. Крупнотоннажное сжижение гелия — это вершина криогенной техники. Здесь на рынке доминировали те же западные компании: Linde (Германия) и Air Liquide (Франция).

«После введения санкций 2022 года поставки критически важного оборудования из недружественных стран в Россию были прекращены. Это нанесло серьёзный удар по планам "Газпрома" по наращиванию экспорта гелия. Амурский ГПЗ, который должен был стать мировым лидером по производству гелия (около 60 млн литров в год), столкнулся с проблемой: оборудование для финальной очистки и сжижения стало недоступно. Таким образом получается, что Россия на все 100% независима в плане сырья, но сильно уступает в технологическом плане», — резюмирует Инна Лисневская.

Тем не менее, работа продолжается. В планах — запуск завода на Марковском месторождении, производство на Миннибаевском газоперерабатывающем заводе в Татарстане и установка для извлечения гелия на Среднеботуобинском месторождении в Якутии. К 2030 году добыча гелия в России может составить до 80–100 миллионов кубических метров в год, что позволит нашей стране занять до 35–45% мирового рынка гелия.

Автор текста: Алексей Романенко