Мы продолжаем рассказывать о различных химических элементах, истории их открытия, применении и патентом аспекте. На этот раз речь пойдет о гелии.
История открытия гелия
18 августа 1868 года французский ученый Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца — его внешнюю оболочку. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. Уже на следующий день, изучая протуберанцы (массы относительно холодного вещества, которые поднимаются и удерживаются над поверхностью Солнца магнитным полем), в результатах спектроскопии Жансен обнаружил не только синюю, зелено-голубую и красную линии водорода, но и очень яркую желтую, которую астроном и его коллеги первоначально приняли за линию натрия.
Спустя два месяца, 20 октября, английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провел исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную желтую линию с длиной волны 588 нм, он обозначил ее D3.
Письма Жансена и Локьера об открытии новой линии солнечного спектра поступили во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифологического бога света Аполлона, правящего в колеснице четверкой коней, скачущей во весь опор.
Локьер пытался воссоздать новые спектральные линии в лабораторных условиях, но все его попытки заканчивались неудачей. Тогда он понял, что обнаружил новый химический элемент. Локьер назвал его гелием, от греческого helios — «Солнце».
Физические свойства гелия:
нетоксичный,
не имеет цвета, запаха и вкуса,
при нормальных условиях представляет собой одноатомный газ,
при атмосферном давлении не переходит в твердую фазу даже при крайне близких к абсолютному нулю температурах,
теплопроводность (0,1437 Вт/(м·К) при н. у.) больше, чем у других газов за исключением водорода;
коэффициент преломления ближе к 1, чем у любого другого газа,
менее растворим в воде, чем любой другой известный газ (при 20°C около 8,8 мл/л);
скорость диффузии гелия составляет 65%;
при пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления газа в трубке.
Гелий состоит из двух природных изотопов: гелий-3 и гелий-4, оба стабильны. Гелий-4 составляет > 99% природного гелия.
Химические свойства гелия:
наименее химически активный элемент 8й группы таблицы Менделеева,
в газовой фазе может образовывать (при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения) так называемые эксимерные молекулы, у которых устойчивы возбужденные электронные состояния и неустойчиво основное состояние: двухатомные молекулы He2, фторид HeF, хлорид HeCl,
в отличие от многих других газов, гелий в воде не образует клатратов (соединения, в которых молекулы одного сорта, «гости» заключены в полости, образованной молекулами другого сорта «хозяевами»), т. к. маленькие атомы гелия ускользают из слишком больших для них пустот в структуре воды.
Потребление
Гелий, помимо детских надувных шариков, применяется в нескольких отраслях промышленности:
в нефтегазовой — используют для поиска мест утечек в подземных газопроводах — для этого гелий вводят в рабочий объем тестируемого объекта;
в атомной энергетике — применяется в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов, в частности ВТГР;
в металлургии — используется в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов;
в пищевой — известен как пищевая добавка E939 — он применяется в качестве пропеллента и упаковочного газа;
служит хладагентом для получения сверхнизких температур;
в электронной промышленности гелий используется для создания плазменных ионных пучков, которые необходимы в процессах литографии и сушки материалов, в частности для изготовления жестких дисков.
Гелий используется для охлаждения аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ), спрос на которые резко подскочил во время пандемии COVID-19, а также в производстве смартфонов, глобальные продажи которых увеличились на 40% с 970 млн до 1340 млн единиц в период с 2013 г. по 2023 г.
Добыча из недр
Несмотря на то, что гелий является вторым по распространенности элементом во Вселенной (~ 23%), на Земле его мало (~ 0,0005%). Почти весь гелий на Земле образуется в результате распада радиоактивных элементов. Легкий газ легко поднимается через земную кору в верхние слои атмосферы, пока в конечном итоге не улетучится в космос. Месторождения гелия обычно связаны с разрывами (рифтами) древних (т. е. докембрийских) пород фундамента. При рифтинге образуются структурные каналы, которые обеспечивают вертикальную миграцию материала в вышележащие слои горных пород. Связанная с этим вулканическая активность нагревает вышележащие породы фундамента, вызывая радиоактивный распад, при котором образуется гелий. Затем газ гелий удерживается осадочными породами в рифтовом бассейне.
Мировые запасы гелия расположены в США, России, Катаре, Алжире и Иране. Все коммерческие поставки гелия осуществляются из добытого природного газа. Его отделяют путем снижения температуры. Другие механизмы, используемые для отделения гелия от компонентов природного газа, включают мембраны высокого давления и адсорбцию с перепадом давления (PSA) или адсорбцию с перепадом температуры (TSA).
Последние годы США были основным источником гелия в мире с некоторыми из наиболее богатых гелием месторождений (0,3-2,7% гелия), и на них по-прежнему приходится основная часть поставок сегодня. Однако истощение стратегических федеральных запасов гелия в США наряду с появлением новых поставщиков, таких как Катар, Алжир, Россия, снизило роль Штатов.
Мировое производство гелия в 2023 г. увеличилось на 8% и достигло 170 млн кубометров. Пока что Соединенное Штаты сохраняют свою позицию крупнейшего игрока на мировом рынке, предоставляя 46% или 79 млн кубометров. Из них 60 млн кубометров производит из природного газа компания с эффектным названием Helium One Global Ltd., а 19 млн кубометров поставляются из хранилища Клиффсайд на севере Техаса (Cliffside storage facility). Отгрузки гелия из этого хранилища постепенно уменьшались: с 49 млн кубометров в 2013 г. до 26 млн в 2018 г. и 19 млн в 2023 г.
Катар, игрок №2, увеличил производство гелия с 25 млн кубометров в 2013 г. до 45 млн в 2018 г. и 66 млн в 2023 г. Всего в Катаре три площадки по производству гелия, их суммарная мощность составляет 72,8 млн кубометров в год, оператором является Qatargas. Таким образом, за вычетом поставок из хранилища Клиффсайд, Катар стал крупнейшим в мире производителем гелия.
Алжир занял 3-е место в списке стран с объемом производства в 10 млн кубометров.
Производство гелия в России в 2023 г. достигло 8 млн кубометров. Однако рост загрузки гелиевой линии Амурского ГПЗ позволит России обогнать Алжир по производству гелия уже в этом году, потом Катар и приблизиться по мощности к США примерно в 2026 г.
Гелий в России
Россия сосредоточила свой потенциал по добыче гелия на Восточной Сибири и Дальнем Востоке, где насчитывается 35 гелиевых месторождений.
Производство в основном обеспечивают Оренбургский гелиевый завод и Амурский газоперерабатывающий завод. После выхода амурского завода на полную мощность он будет выпускать 60 млн куб. м. Временные трудности доставили западные санкции, но в 2023 г. амурчане вывели на проектный режим две гелиевые установки завода, причём пусконаладка оборудования была обеспечена без участия западного лицензиара. В настоящее время на заводе идет строительство третьей установки.
На Чаяндинском месторождении в Якутии построена не имеющая аналогов установка мембранного извлечения гелиевого концентрата. Она используется, чтобы оставлять в газе, направляемом в газопровод «Сила Сибири», именно тот объем гелия, который нужно выделить на Амурском ГПЗ и отправить потребителям. Остальной гелиевый концентрат закачивается на долгосрочное хранение в пласты месторождения. Такая технология гарантирует рациональное использование запасов гелия.
Патентный аспект
На портале Google.Patents указано 100000 документов по слову Helium. Среди патентообладателей явный лидер — американская Applied Materials, патенты распылены по сотням промышленных компаний. Топ-5 патентообладателей выглядит так:
Applied Materials, Inc. — 10,9%;
Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. — 6,6%;
Lam Research Corporation — 2,2%;
Texas Instruments Incorporated — 1,2%;
Corning Incorporated — 1,2%;
На 2-м месте расположилась фирма патентного короля Японии Ямадзаки Сюмпэя. Ему мы уже посвятили отдельный материал на Хабре. Далее идут сплошь известные американские полупроводниковые компании.
Популярные темы патентов по гелию в рамках международной патентной классификации выглядят так:
полупроводниковые приборы H01L — 41,8%;
покрытия C23C — 22,4%;
газоразрядные и вакуумные электронные приборы и газоразрядные осветительные лампы H01J — 17,2%;
технические устройства Y10S — 7,1%.
Лидируют патенты, посвященные полупроводниковым приборам (H01L); примерами являются US10756202B2 и TWI721033B .
А что же в России?
В базе ФИПС на «гелий» числится 1055 патент РФ на изобретения, из которых 275 действующие. Тематика гелиевых изобретений РФ очень разнообразна. Нас в первую очередь интересует электроника.
В разделе «технологии процессов, B» — 86 патентов. Способы направлены получение концентратов гелия из природного газа (например, №2655905), извлечение гелия, в частности №2605593, очистка гелия №2323157 и 2740992 и т.п.
В разделе «химия и металлургия, C» 69 патентов — от получения первичного сверхчистого гелия до его применения в разнообразных металлургических и химических процесса, например №2801381 «Способ получения катодного материала состава Li3V2(PO4)3» с отжигом в атмосфере гелия.
В разделе «электричество H» — 31 патент, большинство относится к электротехнике, в частности к газоразрядным лампам низкого давления с гелиевым наполнением №2672672. Есть по микроэлектронике, например, патент №2390875 способ изготовления транзистора СВЧ с управляющим электродом Т-образной конфигурации субмикронной длины в высокочастотной плазме гексафторида серы, кислорода и гелия
При этом по подклассу «полупроводниковые приборы H01L» всего 11 патентов или 4% от российских гелиевых патентов, что на порядок математических величин меньше рекордной доли 41,8% в мировых патентах по гелию!
Действующих патентов РФ на полезные модели числится 38 штук, в основном это детали машин и устройств с использованием гелия. Например, сверхпроводящий провод №149396, гелий-неоновые лазеры №167162 и 183838.
Программ для ЭВМ по слову «гелий» в РФ зарегистрировано 57. В основном они посвящены технологическим процессам. Примерами являются:
Программа управления процессом изготовления электромагнитного статора из аморфно-нанокристаллического сплава системы Fe-Si-Cr-B методом аддитивных технологий — №2024619399;
Моделирование выхода рентгеновского излучения в зависимости от скорости изменения температуры кристалла — №2018619929.
Баз данных в РФ по гелию 7 штук. В основном они касаются технологическим процессам с использованием гелия, например, №2017621425 — «Характеристики процессов электродугового синтеза и химической модификации фуллеренов и эндофуллеренов».
Заключение
Запасы в недрах и добыча гелия покрывает все потребности РФ в этом важном газе.
В пресс-службе Института нефтегазовой геологии и геофизики представили прогноз по добыче гелия в России. По данным специалистов, к 2030 году объем производства гелия в стране может достигнуть 75 млн кубических метров и сохраниться на этом уровне до середины XXI века. Увеличение производства связано с разработкой газовых месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока. Ожидается, что российский гелий закроет до 45% мирового спроса, преимущественно в странах Азиатско-Тихоокеанского региона.
Развитие высокотехнологичных отраслей, таких как промышленная криогеника, космические исследования и медицинская сфера, будет способствовать росту внутреннего спроса на гелий в России. В настоящее время уровень технологической готовности отечественного оборудования позволяет обеспечить проекты необходимым оборудованием.
Очевидно, что китайская электронная промышленность будет работать на российском гелии. При этом также очевидно отставание отечественных предприятий по полупроводниковым патентам. Возможно, потенциальная кооперация с организациями из КНР исправит эту ситуацию в будущем.
Полезное от Онлайн Патент:
Какие выгоды можно получит от регистрации программы для ЭВМ?
Не только айтишники: какие компании могут внести свои программы в Реестр отечественного ПО?
Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале
