В каких продуктах есть гелий

Выступая на совещании по санитарно-эпидемиологической обстановке, профессор Александр Чучалин, крупнейший пульмонолог страны, директор НИИ пульмонологии, заведующий кафедрой внутренних болезней РНИМУ имени Н. И. Пирогова, рассказал о том, что одним из перспективных методов лечения коронавирусной инфекции COVID-19 на ранних стадиях является терапия гелием.

В чем секрет этого метода? «КП» поинтересовалась у врача пульмонолога, профессора кафедры госпитальной терапии №2 лечебного факультета РНИМУ имени Н.И. Пирогова Александра Карабиненко.

— Действительно, при лечении острой дыхательной недостаточности используется инертный газ гелий. Это один из способов помощи при нарушении функции газообмена в организме человека. Этот метод применяется уже несколько лет при лечении острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС) и в тех случаях, когда функция легких у больного резко снижается, — рассказал профессор Александр Карабиненко. — Если болезнь пациента зашла еще не очень далеко, это действительно помогает. И гелиевая поддержка, и оксид азота, о котором упоминал в своем выступлении Александр Григорьевич, — это те газы, которые применяются при лечении тяжелых форм дыхательной недостаточности. Они применяются давно, но только в специализированных клиниках. Вот у Александра Григорьевича в институте пульмонологии, у него там все для подобного лечения приспособлено. Это не значит, что необходимое оборудование найдется в обычной городской больнице, что все больницы можно быстро обеспечить гелиевыми смесями и оксидом азота. Эти газы получить совсем не трудно, но для их применения должны быть специальные установки. Эта установка гораздо технологически более сложная, чем аппараты искусственной вентиляции легких, поэтому обязательно нужны высококвалифицированные специалисты, которые умеют с ней обращаться. В специализированном центре такую процедуру провести можно, там, где налажена хорошая пульмонологическая помощь, но, думаю, что это не массовая технология. Еще одна особенность этих установок, они дорогие, намного дороже ИВЛ, так что не думаю, что применение метода может быстро стать массовым.

Как гелий работает?

Во многих клиниках предлагается кислородно-гелиевая терапия, основанная на дыхании подогретой газовой смесью, поступающей при помощи специального аппарата из баллона. Терапевтический эффект методики основан на особых свойствах гелия. Гелий – это сверхчистый газ среди инертных газов. Он обладает высокой проникающей способностью (плотность почти в 7 раз меньшая, чем у азота, основного газа-разбавителя кислорода в воздухе), теплоемкостью (5,8 раза выше, чем у азота).

Гелий не вступает в химическую реакцию с организмом и нормализует газовый состав крови, устанавливает кислотно-щелочное равновесие, уменьшает работу дыхательной мускулатуры и оптимизирует деятельность дыхательного центра, улучшает диффузию кислорода через альвеоло-капиллярную мембрану, снижает сопротивление дыханию за счет меньшей плотности гелия, расслабляет гладкую мускулатуру. Уменьшает вязкость мокроты и нагрузку на дыхательные мышцы, при этом происходит и мощное тепловое и теплорефлекторное воздействие на организм.

Откуда берется гелий? Большая часть его образовалась при рождении вещества во Вселенной, в так называемом первичном нуклеосинтезе, то есть от столкновения тех протонов, нейтронов и электронов, что родились в Большом взрыве. При этом в основном формировался гелий-4, с незначительной добавкой гелия-3. Именно гелий и водород оказались основными продуктами первичного нуклеосинтеза: на них приходится соответственно 76 и 23% массы всего вещества Вселенной. Оставшийся один процент — это все остальные элементы. Второй источник гелия — горение водорода в звездах; оно также дает гелий-4 и немного гелия-3.

Однако на Земле гелия мало. Причина в том, что этот легчайший газ не способен вступать в химические реакции, поэтому первичный, содержавшийся в протопланетном облаке гелий давно улетел прочь. Тот же гелий, что есть на Земле, — это продукт радиоактивного распада, прежде всего распада урана и тория, ядра которых испускают альфа-частицы, то есть ядра гелия-4. Гелия-4 на Земле относительно много: 3.10-7 от массы коры и 7.10-5 от массы атмосферы. Каждый год образуется примерно 30 миллионов кубометров гелия-4. А гелия-3 на нашей планете — десятки тысяч тонн, например, в атмосфере содержится лишь 35 тысяч тонн этого изотопа, то есть он весьма редок и, стало быть, дефицитен. Для физических экспериментов и других нужд его получают в результате распада трития.

Чему мешает дефицит гелия-3? Этот изотоп идеален как сырье для термоядерного синтеза, а именно с ним связаны надежды на получение безграничного количеств энергии для нужд цивилизации. Есть две реакции, которые могут быть использованы при зажигании рукотворного Солнца: реакция дейтерия с тритием, порождающая альфа-частицу и нейтрон, и реакция дейтерия с гелием-3, дающая альфа-частицу и протон. Первая идет проще — при меньшей температуре и занимает меньше времени, то есть удерживать горячую плазму легче. Однако для второй не нужен тритий, который мало того что радиоактивен, так и еще и служит для создания термоядерной бомбы, а стало быть, работа с ним строго регламентирована, чтобы это опасное вещество не попало в плохие руки. Считается, что, после того как управляемая термоядерная реакция будет зажжена на тритиевой реакции, неизбежно встанет вопрос о переходе к гелиевой реакции и тогда придется задуматься об источнике гелия-3.

Впрочем, в США об этой проблеме начали думать еще в 2009 году, ведь у гелия-3 есть применения и помимо термоядерного синтеза. Важнейшее из них — детектирование нейтронов. В рамках Договора о нераспространении ядерного оружия, ядерные государства, прежде всего США и РФ, должны оснастить международные аэропорты, пограничные переходы и другие подобные места специальными мониторами, предотвращающими незаконное перемещение ядерных материалов. А судят об их наличии как раз по повышенному потоку нейтронов. Гелий-3, как изотоп с недостатком нейтронов, оказывается прекрасным рабочим телом такого монитора: захватив нейтрон, он испускает протон и становится тритием; спектр испускаемых протонов узок, и реакция хорошо различима. Подобные мониторы нужны не только службам безопасности, но и исследователям, работающим с источниками нейтронов.

Другое важное применение связано с большим магнитным моментом этих ядер: это свойство используют для изучения легких методом ЯМР. Гелий при вдыхании прекрасно заполняет все закоулки этого органа благодаря своей легкости, а томограф, отображая картину его распределения, позволяет лучше увидеть дефекты.

Поскольку производство трития было прекращено в середине 80-х годов, сейчас гелий-3 получают, откачивая продукты распада уже наработанного оружейного трития. И вот выяснилось, что такое производство недостаточно продуктивно. В результате открытые аукционы по продаже гелия-3 в США были отменены, его стали распределять в соответствии с заявками государственных агентств и только на неотложные нужды. Одновременно начали прорабатывать идеи более масштабного производства гелия-3, например с помощью ускорителей или атомных реакторов. В любом случае для детекторов и научных целей такого производства хватит, а вот для энергетики — никак.

Где можно найти много гелия-3? Коль скоро оба изотопа гелия в большом количестве рождаются в звездах, есть смысл поискать гелий-3 в продуктах их жизнедеятельности. Таких продуктов два. Во-первых, это протозвездные облака, получающиеся при взрыве сверхновых. В ходе формирования звездной системы гелий из облака частично выдувается, частично оказывается в планетах. Считается, что на холодных планетах-гигантах, в глубинах которых гелий находится в виде жидкости, сохранилось так много гелия из первичного облака, что запасы его можно назвать неисчерпаемыми. Однако лететь за гелием-3 до Юпитера и Сатурна далековато.

Есть менее мощный, но более близкий источник — солнечный ветер, приносящий к Земле ионы этого элемента. Увы, плотность вещества в солнечном ветре слишком мала, чтобы можно было собирать гелий из него в режиме реального времени. Но вот поверхность Луны миллиарды лет аккумулирует компоненты солнечного ветра. Исследования лунного грунта показали, что гелия-3 в нем не так уж и мало — если развернуть его добычу, то нужды человечества в таком источнике энергии будут обеспечены, по разным оценкам, на столетия или тысячелетия. Однако неужели добыча какого бы то ни было вещества на Луне может оказаться выгодной? Как ни странно, да — соответствующий расчет американские исследователи представили, например, в 1986 году на конференции в Ялте по проблемам управляемого термоядерного синтеза (см. «Химию и жизнь», 1991, 2). Расчет делали не в деньгах, а в энергетических единицах, и оказалось, что добыча гелия-3 и его доставка на Землю даст в 250 раз больше энергии, чем будет затрачено на производство. Для сравнения: сжигание угля дает лишь 16-кратный выигрыш энергии, а урана — 20-кратный.

Из этого расчета следует интересный вывод. Возникновение термоядерной энергетики выведет человеческую цивилизацию на качественно иной уровень не потому, что люди получат мощный источник энергии, а потому, что выход в космос и освоение, по крайней мере, нашего спутника превратятся в экономически состоятельное мероприятие. Колония на Луне, занятая добычей гелия-3, окажется не дорогой игрушкой, заводить которую никто не жаждет, а самоокупаемым предприятиям, которое неизбежно будет развивать межпланетную транспортную инфраструктуру. Еще одна причина, по которой вызывает разочарование очередной перенос срока запуска первого экспериментального термоядерного реактора ИТЕР с 2016 года на 2020-й.

Чем опасен гелий? Этот газ легко проходит сквозь воздух, воду, пластики, стекло. А сквозь тяжелые металлы — железо, платиноиды — и многие минералы он пройти не может. При этом гелий еще и плохо растворяется в металле, то есть, попав в него, склонен собираться в разного рода полостях. Такая особенность вызывает сильную головную боль у инженеров-ядерщиков, ведь гелий легко оказывается в металле, из которого сделаны их объекты, — он влетает туда в виде альфа-частицы, рожденной при распаде ядра либо в термоядерной реакции. Иначе говоря, в металлических конструкциях реактора АЭС, прямо в топливных сборках и в конструкциях строящегося термоядерного реактора неизбежно станет накапливаться гелий. В металле альфа-частица обретает электрон и становится атомом газа, который перемещается по решетке и скапливается возле дефектов кристаллического строения. Со временем там формируются газовые пузыри и металл распухает — это явление так и называют «гелиевое распухание». Если пузыри формируются вблизи поверхности, то она крошится. Материаловеды, занятые созданием сплавов для ядерной энергетики, тратят много времени на решение проблемы гелиевого распухания — в этом легко убедиться, просмотрев свежие публикации научных журналов с ключевым словом «гелий».

Что еще интересует в гелии исследователей? Его можно использовать для датировки всевозможных геологических пород. Поскольку гелий получается при распаде радиоактивных элементов, по его накоплению можно судить о возрасте минерала. Это не главный, но неплохой рабочий метод при построении разного рода хронологии.

Зачем гелий нужен непосредственно человеку? В 20-х годах XX века его начали использовать как компонент дыхательных смесей. Первоначальная идея состояла в том, что гелий — легкий газ, поэтому, заменив им азот, можно сделать смесь, дышать которой гораздо легче, — и эта смесь поможет восстанавливать здоровье или даже спасать жизни людям, испытывающим трудности с дыханием. Удивительно, но почти за столетие врачи так и не смогли разобраться, работает эта идея или нет — в клинической практике гелиево-кислородные подушки применяют, однако исследования в рамках доказательной медицины можно пересчитать по пальцам одной руки, причем и по их результатам сделать вразумительные выводы не удается. Время от времени составляются обзоры тех немногочисленных работ, что все-таки появляются в научных журналах, авторы которых неизменно призывают провести больше клинических испытаний метода и разгадать в конце концов эту загадку.

А вот водолазами воздушные смеси с гелием вполне подошли. У них проблема в том, что азот при высоком давлении — а оно возникает при погружении глубже пятидесяти метров — вызывает опьянение. Значит, его содержание в смеси для дыхания надо уменьшить, заменив азот другим химически инертным газом. Но тяжелые инертные газы способны вызывать наркоз, накапливаясь в жировых тканях. Легкий гелий в этом не замечен, но и у него есть недостаток — высокая теплопроводность. Из-за нее человек в помещении, заполненном смесью гелия и кислорода, сильно мерзнет. Поэтому сейчас водолазам лишь часть азота заменяют гелием.

Есть идеи заполнять такой смесью космические корабли, особенно межпланетные. Здесь возможны два выигрыша. Во-первых, более легкий газ требует меньших усилий при прокачке в системе вентиляции, стало быть, снижается вес оборудования. А во-вторых, при выходе за пределы радиационных поясов Земли космический корабль станет подвергаться бомбардировке быстрыми частицами солнечного ветра и космических лучей. Возникнет наведенная радиация: в частности, атомы азота становятся радиоактивными. Гелий же при облучении не порождает радиоактивных изотопов. При полетах внутри поясов — а именно там сейчас проходят все пилотируемые экспедиции — этой проблемы не возникает, но при возобновлении полетов людей на Луну, а тем более на Марс этот фактор придется учитывать.

Как люди начали использовать гелий? Гелий как новый элемент обнаружили при изучении спектров Солнца в 1868 году, с разницей в несколько месяцев, француз Жюль Жансен и англичанин Норман Локьер. (Последний знаменит не только как человек, давший гелию его имя, но и как создатель и первый главный редактор журнала «Нейчур», а также как основатель археоастрономии — направления науки, которое ищет астрономическое значение в памятниках древности.) Письма об открытии попали в Парижскую академию наук одновременно и были зачитаны с интервалом в несколько минут. Это совпадение так поразило академиков, что была выпущена специальная памятная медаль с изображением обоих ученых. С высоты сегодняшнего знания можно сказать, что так было зафиксировано проявление парадокса Шелдрейка: если человек в одном месте научился делать что-то, в другом месте люди обучаются делать то же самое быстрее (см. «Химию и жизнь», 1984, 8; 2001, 2).

Первым же «подержал в руках» гелий неутомимый Уильям Рамзай. В 1895 году он выделил этот газ при разложении клевеита — минерала, содержащего много урана и тория. А жидкий гелий в 1908 году сделал Хейке Камерлинг-Оннес и благодаря этому сумел открыть сверхпроводимость — в подавляющем большинстве веществ она если и возникает, то как раз при гелиевой температуре. Промышленность сжиженных газов дала возможность получать гелий в больших количествах, и, естественно, это дорогое вещество нашло применение там, где затрат не считают, — в военной технике. Уже в 1915 году немцы бомбили Лондон с дирижаблей, заправленных гелием. Преимущество этого газа понятно — водород, более широко применявшийся в те годы для заправки дирижаблей, весьма взрывоопасен.

Вверху: так выглядел корпус токамака ИТЕР в апреле 2017 года.  Внизу: в этом ангаре площадью 8 тысяч м2 станут изготавливать  и хранить жидкие азот и гелий. Ежедневный объем производства жидкого азота составит 50 тонн, и он послужит для предварительного  охлаждения газа при получении жидкого гелия. В системе ИТЕР будет циркулировать 25 тонн этого вещества при температуре ­269 оС,  чего должно хватить для поддержания 10 тысяч тонн магнитов  в сверхпроводящем состоянии Фото: ITER Organization/EJF Riche

Как сейчас используют гелий? Основное его количество идет на криогенику. И это отнюдь не Большой адронный коллайдер, в котором жидкий гелий охлаждает сверхпроводящие магниты, или другие гигантские приборы, где нужно охлаждать детекторы. Пятую часть мирового производства гелия расходуют при проведении магнитно-резонансных исследований в клиниках: он поддерживает низкую температуру установленных в томографах электромагнитов, чтобы перевести их в сверхпроводящее состояние. Далее идет аргонно-дуговая сварка — добавка гелия в газ для создания дуги повышает качество швов при сварке толстых изделий из-за высокой теплопроводности. Надувные шарики-игрушки и прочие шары, например метеорологические зонды или дирижабли для доставки грузов в отдаленные районы, которые всё обещают возродить, но никак не соберутся, — третье по объему применение гелия. Еще он нужен в металлургии для создания защитных атмосфер или продувания отливок — вместе с гелием из растворенного металла выходят другие газы, и качество изделия повышается; преимущество гелия в том, что он гораздо меньше растворяется в металлах, чем другие инертные газы. Гелием выдавливают жидкости из резервуаров, например топливо из баков космического корабля; каждый запуск американского шаттла требовал 20 тысяч м3 гелия. Нужен гелий и в приборах для поиска разного рода течей. Незаменим он при испытаниях изделий, которым предстоит работать в вакууме. Так, «Буран» перед полетом испытывали на герметичность в криокамере объемом 10 тысяч м3 — ее стенки охлаждали гелием, чтобы выморозить все неоткачанные газы и обеспечить глубокий вакуум. Гелий широко применяют при производстве микроэлектроники и оптических волокон. Короче говоря, годовое производство гелия ныне превысило 200 млн м3 и стабильно растет последние полвека со скоростью 5% в год. Используют его в основном промышленно развитые страны, и лидер тут — США, где годовое потребление составляет более 100 млн м3. В Евросоюзе — 40 млн, Канаде — 25 млн, КНР — 15 млн, Индии около 10 млн. Данные по РФ весьма неопределенные — от 1 до 10 млн м3 в год.

Считается, что потребность в гелии и далее будет расти, поскольку могут появиться новые области его использования. Прежде всего это монорельсовый транспорт на сверхпроводящей магнитной подушке. Если ориентироваться на низкотемпературные сверхпроводники, то гелий будет незаменим — без него никак не удастся охладить магнит до нужной температуры. Пока что на планете есть один такой поезд: он возит пассажиров из центра Шанхая в аэропорт, преодолевая 35 км за 7 минут. Инженеры надеются на развитие этой технологии в основном в густонаселенных странах вроде Японии, где строить обычные дороги непросто из-за дефицита места. Так вот, запуск этого поезд сразу на четверть увеличил потребность КНР в гелии.

Другое, не менее интересное направление — полностью безопасный атомный реактор. В него вместо стержней насыпают гранулы с ядерным топливом, а они омываются гелиевым теплоносителем. В таком перспективном реакторе атомный взрыв невозможен, и даже при аварии не происходит разрушение активной зоны и загрязнение радиоактивными элементами. Гелий как теплоноситель хорош не только из-за своей высокой теплоемкости, но и потому, что не порождает радиоактивных элементов при облучении. Правда, пока что проектирование такого реактора продвигается медленно и намеченные в конце XX века сроки давно сорваны. Подобный реактор должен был послужить для уничтожения советского оружейного плутония.

В этой колонне Оренбургского гелиевого завода происходит выделение гелия из природного газа Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения

Как получают гелий? Его добывают из природного газа, точнее, из остатков, получающихся после сжижения. Вообще, именно в природном газе концентрируется более половины всего гелия планеты. Причина в том, что гелий, как и метан, путешествуя сквозь земную кору, в конце концов разделяет его участь — оказывается запертым в породах-коллекторах. Содержание гелия в газе разных месторождений сильно различается; добыча гелия считается рентабельной, когда оно достигает 0,05%. В СССР прекрасный завод по получению гелия был построен в начале 80-х в Оренбургской области (см. «Химию и жизнь», 1981, 3). На заводе очищают природный газ от сероводорода, разделяют его на фракции, например отделяя этан от метана, а в итоге получают и гелий. Сейчас это единственный завод такого профиля в РФ, хотя гелий можно извлекать из газа и других месторождений.

На самом деле человечество крайне расточительно обращается с гелием. По сути, это невозобновляемое сырье, поскольку число радиоактивных элементов, порождающих гелий, на планете только уменьшается. И при этом в трубу вместе со сгоревшим газом ежегодно улетают сотни миллионов кубометров гелия. Понятно, что объем производства определяется спросом, однако можно принимать меры по сохранению ценного газа. В США в середине XX века попытались создать стратегический запас гелия — извлекали его из природного газа и закачивали в подземные хранилища; в 1996 году программа была свернута, хранилища приватизировали, и сейчас этот госзапас успешно распродают.

Поскольку РФ добывает огромные количества газа, на нас в значительной степени лежит ответственность за сохранение гелиевого богатства. Отечественные специалисты не первый год бьют тревогу и требуют принять программу по более полному извлечению гелия из природного газа с тем, чтобы расширять рынок, а заодно формировать запас на черный день.