Гелий крайне важен для всех видов технологий, включая магнитно-резонансные томографы и полупроводники. Но его производят лишь в нескольких местах.

На установке ядерного магнитного резонанса в Университете штата Миссисипи три мощных магнита позволяют увидеть, как атомы образуют связи. Химики используют эту технологию для разработки новых полимеров и изучения того, как бактерии связываются с поверхностями. Чтобы все это работало, им нужен элемент, который часто можно найти в продуктовых магазинах, но который также находится в вечном дефиците: гелий.

Каждые 12 недель университет платит 5-6 тысяч долларов, чтобы пополнить запасы жидкого гелия, необходимого для охлаждения сверхпроводящего провода, намотанного внутри магнитов, до температуры -452 °F (-269 °C).

«Это, безусловно, самые большие наши расходы», - говорит Николас Фитцки, директор центра. «Цена, по которой мы платим за услуги, - это покупка жидкого гелия, и за последний год она практически удвоилась».

Гелий отлично проводит тепло. А при температурах, близких к абсолютному нулю, при которых большинство других материалов замерзают в твердом состоянии, гелий остается жидкостью. Это делает его идеальным хладагентом для всего, что должно быть очень холодным.

Поэтому жидкий гелий необходим для любых технологий, использующих сверхпроводящие магниты, включая магнитно-резонансные томографы (МРТ) и некоторые термоядерные реакторы. Гелий также охлаждает ускорители частиц, квантовые компьютеры и инфракрасные детекторы космического телескопа Джеймса Уэбба. Как газ, гелий отводит тепло от кремния, чтобы предотвратить его повреждение в полупроводниковых цехах.

«Это критически важный элемент для будущего», - говорит Ричард Кларк, консультант по гелиевым ресурсам из Великобритании, один из авторов книги об этом элементе. Действительно, Европейский союз включил гелий в список критических сырьевых материалов на 2023 год, а Канада - в список критических минералов.

На протяжении всей истории развития технологий гелий снова и снова играл важнейшую роль, оставаясь при этом дефицитным. В рамках серии публикаций, посвященных 125-летию MIT Technology Review, мы вспомнили о том, как гелий стал таким важным ресурсом, и подумали, как может измениться спрос на него в будущем.

Чтобы обеспечить стабильные поставки гелия, страны порой шли на крайние меры. В нашем номере за июнь 1975 года, посвященном критическим материалам, инженер компании Westinghouse по имени Х. Ричард Хаулэнд написал о противоречивой американской программе, в рамках которой гелий накапливался десятилетиями.

Даже сегодня гелий не всегда легко достать. Мировые поставки зависят в основном только от трех стран - США, Катара и Алжира - и менее чем от 15 компаний по всему миру.

При таком небольшом количестве источников рынок гелия особенно чувствителен к перебоям - если завод выходит из строя или начинается война, элемент может внезапно оказаться в дефиците. Как отметил Фицки, в последние годы цена на гелий стремительно растет, что ставит больницы и исследовательские группы в затруднительное положение.

По словам консультанта по гелию Фила Корнблута, с 2006 года на мировом рынке гелия уже четыре раза возникал дефицит. По данным Геологической службы США, с 2020 года цена на гелий выросла почти вдвое - с 7,57 доллара за кубический метр до исторического максимума в 14 долларов в 2023 году.

Цена гелия, за кубический метр

Указанные цены являются ориентировочными для гелия класса А, продаваемого частной промышленностью.

Некоторые исследовательские лаборатории, включая лабораторию Фитцки, уже устанавливают системы рециркуляции гелия, а производители МРТ делают сканеры нового поколения, которые требуют меньше гелия. Но многие высокотехнологичные отрасли, включая вычислительную и аэрокосмическую, в будущем, вероятно, будут нуждаться в еще большем количестве гелия.

«В конце концов, происходит то, что гелий становится все дороже», - говорит Анкеш Сиддхантакар, аспирант по управлению устойчивым развитием в Университете Ватерлоо (Канада). «Эпоха дешевого гелия, вероятно, прошла».

Потребность в высоких технологиях

Гелий - второй элемент в периодической таблице, что, как вы помните из школьных уроков химии, означает, что у него всего два протона (и, соответственно, два электрона).
Благодаря своей простой структуре атомы гелия являются одними из самых маленьких и легких, уступая только водороду. Они чрезвычайно стабильны и не вступают в реакцию с другими веществами, что позволяет легко включать их в промышленные и химические процессы.

Основные виды использования гелия в США

На основе данных Геологической службы США за 2023 год

В течение многих лет жидкий гелий использовался в основном для охлаждения магнитов в МРТ-сканерах, которые помогают врачам исследовать органы, мышцы и кровеносные сосуды. Но стоимость гелия настолько возросла, а его поставки были настолько нестабильны, что больницы стремятся найти другие варианты.

Производители МРТ, включая Philips и GE HealthCare, теперь продают сканеры, которым требуется гораздо меньше гелия, чем предыдущим поколениям. Это должно помочь, хотя на модернизацию примерно 50 000 МРТ-сканеров, уже установленных сегодня, уйдут годы.

Другие отрасли промышленности тоже находят способы обойтись без гелия.

Сварщики заменяют аргон или водород на некоторых работах, а химики перешли на водород для газовой хроматографии - процесса, позволяющего разделять смеси.

Но для большинства применений гелию нет хорошей альтернативы, и этот элемент гораздо труднее перерабатывать, когда он используется в качестве газа.Например, на заводах по производству полупроводников газ гелий отводит тепло от кремния, чтобы предотвратить его повреждение, и защищает его от нежелательных реакций.

В связи с ростом спроса на вычислительную технику, отчасти обусловленным искусственным интеллектом, США инвестируют значительные средства в строительство новых заводов, что, вероятно, приведет к увеличению спроса на гелий. «Несомненно, в ближайшие годы производство микросхем станет самой большой сферой применения, если уже не стало», - говорит Корнблут.

В целом, по словам Корнблута, в ближайшие несколько лет гелиевая промышленность ожидает рост на уровне низких однозначных цифр.

Заглядывая в будущее, Кларк предсказывает, что большинство отраслей промышленности со временем откажутся от использования гелия в несущественных целях. Вместо этого они будут использовать его в основном для криогенного охлаждения или в случаях, когда нет альтернативы. К ним относятся квантовые компьютеры, ракеты, оптоволоконные кабели, полупроводниковые фабрики, ускорители частиц и некоторые термоядерные реакторы.

«Это то, что по причине стоимости все эти новые технологии должны учитывать», - говорит Кларк.

Учитывая его важность для многих отраслей, Сиддхантакар считает, что гелий должен быть более приоритетным для тех, кто думает об управлении стратегическими ресурсами.

В ходе недавнего анализа он обнаружил, что глобальные цепочки поставок гелия, лития и магния подвержены одинаковым рискам.

«Это ключевой фактор для критически важных приложений, и это одна из составляющих, которую, как мне кажется, нужно лучше понять и оценить», - говорит Сиддхантакар.

Хрупкий баланс

Гелий, который мы используем сегодня, образовался в результате распада радиоактивных материалов миллионы лет назад и с тех пор находится в горных породах под поверхностью Земли.

Гелий обычно добывают из этих подземных резервуаров вместе с природным газом, как объяснил Джон Маттилл в статье из нашего январского номера за 1986 год: «Гелий можно легко выделить из газа перед сжиганием, но чем ниже концентрация гелия, тем выше затраты на это».

Как правило, концентрация гелия должна составлять не менее 0,3%, чтобы газовые компании могли с ним работать. Такие уровни можно найти лишь в нескольких странах, включая США, Алжир, Канаду и Южную Африку. В Катаре концентрация ниже, но там добывается достаточно природного газа, чтобы оправдать извлечение гелия при таких низких уровнях.

Дефицит гелия вызван не отсутствием гелия, а неспособностью производителей в этих нескольких странах своевременно доставлять его потребителям во всех странах. Это может произойти по целому ряду причин.

«Это очень глобальный бизнес, и если где-то начинается война или что-то подобное, это, как правило, сказывается на гелиевом бизнесе», - говорит Корнблут.

Другая проблема заключается в том, что атомы гелия настолько легки, что земная гравитация не может их удержать. Они, как правило, просто улетают, даже покидая специально сконструированные резервуары. Согласно новому анализу, представленному Сиддхантакаром на прошлой неделе на Международном круглом столе по критичности материалов, до 50% добываемого нами гелия теряется до того, как его можно использовать.

Учитывая все это, страны, нуждающиеся в большом количестве гелия - Канада, Китай, Бразилия, Германия, Франция, Япония, Мексика, Южная Корея и Великобритания - являются одними из основных импортеров, - должны постоянно работать над обеспечением надежных поставок. США - один из крупнейших потребителей гелия, но также и ведущий производитель.

На протяжении десятилетий мировой рынок гелия был тесно связан с правительством США, которое начало накапливать запасы гелия в Техасе в 1961 году для военных целей. Как писал Хаулэнд в 1975 году, «первоначальное оправдание федеральной программы сохранения гелия заключалось в том, чтобы хранить гелий до более позднего времени, когда он будет более необходим и менее доступен».

Однако США постепенно распродали большую часть своих запасов и теперь продают оставшуюся часть с аукциона, причем окончательная продажа должна состояться в ближайшие несколько месяцев. Последствия этого пока не ясны, хотя кажется вероятным, что таким агентствам, как НАСА, в будущем придется платить за гелий больше. Как написал Кристофер Томас Фриберн в статье 1997 года под названием «Спасите гелий», «ликвидировав резерв, федеральное правительство... отдало себя на милость рынка».

Потребители во всем мире по-прежнему в подавляющем большинстве зависят от США и Катара, которые вместе производят более 75 % всего гелия, используемого в мире. Но за последнее десятилетие США стали производить и экспортировать значительно меньше, в то время как спрос со стороны американских потребителей вырос на 40%, по данным Роберта Гудина из Геологической службы США.

Стремясь заполнить образовавшуюся пустоту, новые страны начинают производить гелий, а целый шквал компаний изучает потенциальные проекты по всему миру. В прошлом году четыре гелиевых завода открылись в Канаде, а один запустился в Южной Африке.

Россия собирается открыть новый крупный завод, который вскоре будет поставлять гелий в Китай, тем самым обойдя Алжир и став третьим по величине производителем в мире.

«Россия станет производителем номер три уже в 2025 году, а в ближайшие пять лет на нее будет приходиться четверть мировых поставок», - говорит Корнблут.

Компания Qatargas в Катаре открывает четвертый завод, что вместе с новым российским предприятием должно увеличить мировые поставки гелия примерно на 50 % в ближайшие несколько лет, добавляет он.

Некоторые компании сейчас рассматривают места, где можно добывать гелий, не рассматривая его как побочный продукт природного газа. Helium One изучает несколько таких источников в Танзании.

Будет ли этого достаточно?

В 1975 году Хаулэнд описал рынок гелия как «пример фальстарта, неэффективности и экономических ловушек, которых мы должны избегать, чтобы разумно сохранять наши исчерпаемые ресурсы».

Он также предсказал, что США израсходуют большую часть известных запасов гелия к началу века. Однако, согласно недавнему анализу Геологической службы США, гелия в газовых резервуарах хватит еще на 150 лет.

«Как и в случае со многими другими вещами, речь пойдет об устойчивом управлении этим ресурсом», - говорит Сиддхантакар.

Источник

Больше полезной информации из мира инвестиций на https://t.me/marat_investments

Читайте также: