Наша жизнь весьма зависима от газов, сквозь которые мы проходим, даже не обращая на них внимания. Так, благодаря азоту, а точнее азотным удобрениям, мальтузианские пророчества рассыпались в прах. Каждый легко припомнит массу разнообразных сфер применения кислорода, ацетилена, водорода, пропана и многих других, широко распространенных, газов.
Но вот пришла пора обратить внимание и на куда менее распространенные инертные газы.
Ученые кафедры «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (Э-4) разрабатывают технологии получения благородных инертных газов высокой чистоты, в частности, криптона и ксенона. Зачем? Об этом мы спросили доцента Максима Куприянова.
Кому это нужно
– Этого требует сегодняшняя жизнь, – говорит Максим Юрьевич. – Ксенон и криптон очень востребованы на рынке – они находят все большее и большее применение в самых различных областях. Например, все знают, что наркоз вовсе не безвреден для здоровья. Более того, из наркоза, как говорят врачи, «не всегда выходят». Попросту – умирают. Недавно в качестве наркоза попробовали использовать ксенон. Оказалось, что в этом случае, во-первых, нет никаких побочных эффектов, а, во-вторых, он выводится из организма за считанные минуты.
Широкому применению мешает один-единственный недостаток – очень уж он дорог. Технологии, разрабатываемые на Э-4, возможно, помогут сделать его доступным.
Можно без преувеличения сказать: «Ксенон (как и криптон), дорог потому, что его, не получают, а добывают». Добывают на крупных воздухоразделительных установках (ВРУ). Процесс очень трудоемкий, но на сегодня единственно рентабельный. Да и других промышленных источников, кроме воздуха, попросту нет.
Ксенон – самый тяжелый из инертных газов. Поэтому у него самая малая энергия ионизации – электроны на дальних орбитах. Их легче всего «оторвать» (то есть легко ионизировать), а полученный при этом удельный импульс будет высоким. Эти сорванные с внешней орбиты электроны используют как топливо для космических аппаратов.
Ксенон (Хе) — весьма редкий инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Его используют для наполнения ламп накаливания, мощных газоразрядных и импульсных источников света, изотопы применяют для обнаружения течи в вакуумных установках. Жидкий ксенон иногда используют в качестве рабочей среды лазеров.
Еще один крупный потребитель благородных газов – быстрорастущая полупроводниковая промышленность. Там они необходимы для производства процессоров и микрочипов, для травления резисторов. А миниатюризация важна. Думаю, многие помнят вычислительные машины БЭСМ-6. Они занимали до 200 квадратных метров, работали с частотой всего 10 МГц и, из-за того что были ламповыми, постоянно сбоили – полчаса и одну из многочисленных ламп надо менять. Любой нынешний смартфон, размером с ладонь, – многократно круче той огромной ЭВМ.
Не количество, а качество
– Сегодня все больше нужны газы 6.0, то есть 99,9999-процентной чистоты, а иногда даже и выше. Сейчас отечественная промышленность вынуждена удовлетворяться максимум 4-5 «девятками». 6.0 и 7.0 – это даже на всей планете единичные случаи.
На кафедре работают со всеми инертными газами (ИГ) высокой чистоты: гелием, неоном, аргоном, криптоном, ксеноном. Из них на Земле много только аргона. Все остальные – редкие. Поэтому их и называют благородными, а технология их извлечения-получения столь актуальна.
– Мы занимаемся всей технологической цепочкой. Но, в первую очередь, сконцентрировали усилия на получении газов, – рассказывает Куприянов. – Рынок ИГ достаточно мал. Не потому, что они не нужны, а потому, что их физически мало. Огромные ВРУ позволяют получать лишь несколько баллонов газов ксенона и криптона в месяц. Ксенон самый редкий из этих газов. Воздух – единственный его источник.
Процесс получения сложен и многоступенчат, в нем много специфики. Даже в лаборатории мы используем несколько вакуумных постов. Нужно специально готовить («полоскать») тару – вакуумировать с нагревом, чтобы не было воды и других тяжелых примесей. На кафедре создали современную высокоточную лабораторию газоанализа. Мы меряем качество газа. Важно не только получить его, но и подтвердить (пусть даже только для себя), что у нас 0,999999. Нужно сложное аналитическое оборудование. Оно на Э-4 есть и предусматривает анализ до 10 ppb (parts per billion) по некоторым компонентам. Это очень точный анализ. Он требует 4-6 часов на каждый компонент.
В таком оборудовании используют максимальное число неразборных соединений. Это гарантия герметичности.
Ноу-хау. Мировые лидеры
Разработкой технологии получения сверхчистых инертных газов практически никто не занимается – трудно и дорого. Тысячи фирм готовы предоставить свои ВРУ, а вот получить чистый ксенон никто не возьмется.
Кафедра Э-4 – получает. Но она не монополист. Здесь разрабатывают и совершенствуют технологию. Главное – долговременный и особый процесс подготовки, когда специально подготовленные кадры знают много смежных областей: по вакууму, по анализу, по компрессорам. Нельзя с наскока получить результат. Невозможно. Поэтому получать газы такой чистоты могут очень немногие.
– Нами введена в эксплуатацию установка. С ее помощью мы впервые за долгое время получили жидкий азот для себя. На стенде газоанализа и разделения криптоно-ксеноновой смеси мы проводим НИР и отработку технологий. Здесь все герметично в самих трубах, а не снаружи.
Наша работа – не бизнес. Здесь много науки. Кроме самих газов бауманские ученые используют их изотопы.
Разделение на изотопы без всякой радиоактивности – очередной шаг дальше. Этим занимаются не физики, а инженеры. Вот это и есть криогенные технологии.
Криптон — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Обозначается символом Kr. Используется при производстве сверхмощных эксимерных лазеров (Kr-F). Фториды криптона могут использоваться в качестве окислителей ракетного топлива и в качестве компонента для накачки боевых лазеров. Есть и бытовое применение газа – им заполняют стеклопакеты для повышения его теплофизических и звукоизоляционных свойств.
Луна пусть будет одинока
– Тема моей диссертации – извлечение еще одного инертного газа – гелия-3, – говорит Максим Юрьевич. – Уникальность предложенной мною технологии – криогенное извлечение его изотопов, которые используют в оборонной промышленности.
Единственный промышленный способ получения гелия-3 – распад трития. Технология, разработанная Куприяновым и его коллегами, позволяет обойтись без радиации. Она основана на криогенных методах. Начинаем со сверхтекучей фильтрации (течь без трения). Берем природный гелий. Сжижаем его и пропускаем через фильтр с пористыми каналами. Концентрат отбираем и используем. Криогенное обеспечение здесь сложное: сверхтекучесть возникает при температуре ниже 2.17 кельвина, а поддерживать ее непросто.
Известно, что на Луне гелия-3 в избытке. Но до нее около 400 тысяч километров. Вот уж впрямь «за морем телушка – полушка, да рубль перевоз». Поэтому технология Куприянова, которая дешевле, чем «тритиевая» и «лунная», весьма перспективна.
Сейчас гелий-3 – второй по стоимости газ на планете. Его литр стоит 3-10 тысяч долларов. По новой технологии – более чем на порядок дешевле. Пожалуй, не стоит лететь на Луну!
Сейчас ученые планируют выйти на промышленное применение технологии. Это не новаторство. Первые попытки были сделаны еще в прошлом веке. Но бауманцы единственные, кто целиком выстроил технологическую цепочку и доказал ее работоспособность. Сейчас планируют НИР с Газпромом. Она затратна. На коленке не собрать – требуется огромное обеспечение, нужен цех для создания низких температур. Это и денег требует, и инфраструктуры. После завершения НИР с Газпромом начнется ОКР с опытно-промышленной установкой.
– У кафедры много партнеров, с которыми заключены договоры о сотрудничестве, но есть мечта о работе с крупными криогенщиками. Например, на Ковыктинском месторождении будут установки по добыче гелия. Газоперерабатывающие заводы будут выделять гелиевый концентрат, который по трубам поступит на гелиево-перерабатывающий завод где его будут сжижать и транспортировать далее. Вот как раз на сжижение и можно поставить врезку от МГТУ – получать и перевозить концентрат, а потом и чистый гелий-3. Это уникальная технология. Технология МГТУ.
Елена Емельянова
