Владимирская земля: Рождение гелиевого дыхания России

В 2025 году исполняется 10 лет как во Владимирской области совершается технологическая революция. Здесь создают продукт, который можно без преувеличения можно назвать стратегическим достоянием страны - газоразделительные мембранные модули рулонного типа для выделения гелия.

Это воплощение научной мысли, перешагнувшей через традиционные, громоздкие и энергоемкие методы. Уникальная технология, аналогов которой в России больше нет, ставит Владимирскую область на передовую линии борьбы за ценные ресурсы. Чтобы понять всю значимость этого прорыва, нужно заглянуть в прошлое. 

«За пионерские исследования в теории конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия», - говорилось в наградном обосновании Нобелевской премии по физике, которая в 1962 году была присуждена советскому ученому Льву Ландау.

Из школьного курса химии все знают, что гелий – это инертный газ. Впервые о нем заговорили еще в XIX веке. 18 августа 1868 года французский ученый Пьер Жансен, наблюдая за Солнцем, обратил внимание на ярко-желтую линию в спектре звезды, которая не принадлежала ни одному из ранее известных химических элементов.

Только через 27 лет после первоначального открытия гелий обнаружили и на Земле: ту же ярко-желтую линию, найденную ранее в солнечном спектре, ученые заметили при разложении минерала клевеита.

Гелий занимает второе место по распространенности во Вселенной, на первом – водород. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого взрыва. Сейчас он тоже рождается - в результате термоядерного синтеза в недрах звезд. Каждую секунду на Солнце 4 миллиона тонн водорода превращаются в гелий. Однако на Земле этот элемент редок. Но он встречается в земных недрах в составе природного газа и в воздухе, которым мы дышим.

Чем больше изучался гелий, тем активней его использовали в самых разных сферах: от металлургии до развлечений. Инертный газ нужен как для продления срока годности при упаковке пищевых продуктов, так и для охлаждения атомных реакторов. На металлургических заводах гелий необходим при сварке, литье и резке цветных металлов. Сравнительно недавно в рамках импортозамещения на Воронежском механическом заводе начали производить шар-баллоны с гелием для работы пневматических систем жидкостных ракетных двигателей. В электронной индустрии элемент входит в состав наполнения жидкокристаллических панелей, оптоволоконных кабелей и полупроводников. Все это говорит о ценности гелия и его необходимости в промышленных процессах.

Любое вещество может иметь три состояния: жидкое, твердое и газообразное. И гелий – не исключение.

В 1938 году советский физик Петр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течет практически без трения.

«У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим … в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода», - говорил ученый.

За год до этого на должность заведующего теоретическим отделом Института физических проблем (ИФП) Петр Капица пригласил Льва Ландау.

Чем же молодой ученый привлек Капицу? Квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, сверхпроводимость и сверхтекучесть, физика космических лучей, астрофизика, гидродинамика, квантовая электродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра и физика элементарных частиц, теория химических реакций, физика плазмы - это далеко не полный перечень областей, в которые Лев Ландау внес фундаментальный вклад. Академик по праву считается легендарной фигурой в истории советской и мировой науки. Но лауреатом Нобелевской премии по физике в 1962 году он стал именно за работу с гелием. В своих трудах «Теория сверхтекучести гелия-II» (1941), «К гидродинамике гелия II (1944), «Теория вязкости гелия II» (1949) и др. ученый смог объяснить сверхтекучие свойства квантовой жидкости при низких температурах.

Согласно представлениям классической физики, при температурах, близких к абсолютному нулю, движение атомов должно останавливаться и вещество кристаллизироваться. Однако с гелием этого не происходило. При нормальном давлении он не только оставался жидким, но и обретал способность просачиваться в мельчайшие трещины.

Идея Льва Ландау заключалась в том, что большую квантовую систему, в которой частицы сильно взаимодействуют, можно описать при помощи почти не взаимодействующих квазичастиц. По мнению ученого, жидкий гелий можно рассматривать как совокупность двух частей.

«Производится квантование произвольной системы взаимодействующих частиц (жидкости) с помощью введения операторов плотности и скорости жидкости; выводятся условия коммутации между этими операторами. На основании результатов этого квантования определяется общий характер распределения энергетических уровней в спектре квантовой жидкости; исследуется характер температурной зависимости теплоемкости гелия II. Оказывается, что при температуре абсолютного нуля квантовая жидкость может обладать свойством сверхтекучести. При температурах, отличных от абсолютного нуля, в гелии II оказывается возможным одновременное существование двух движений - сверхтекучего и нормального, что может быть описано посредством введения понятий о сверхтекучей и нормальной «частях» жидкости. Выведена система гидродинамических уравнений, описывающих макроскопическое движение гелия II. С помощью этих уравнений исследовано распространение звука и показано, что в гелии II должны существовать две скорости звука. В заключении обсуждается проблема Сверхпроводимости». (Теория сверхтекучести гелия-II)

Удивительным образом эта работа 1941 года и ее дальнейшие уточнения объясняют большую часть физики металлов, полупроводников и сверхпроводников. Все дальнейшее, сделанное бесчисленным множеством других людей, было так или иначе развитием идеи Ландау. Попытки создать альтернативную теорию продолжатся по сей день. Недаром же про Ландау говорили, что в «огромном здании физики XX века для него не было запертых дверей».

***

Использование гелия в современной науке демонстрирует его ключевое значение для прорывных открытий и передовых исследований. Это неоценимый инструмент в криотехнологиях. Жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих материалов до состояния, где их электрическое сопротивление стремится к нулю. Также, гелий необходим в современных методах микроскопии, с его помощью ученые получают возможность видеть более четкие изображения материалов и биологических образцов, что играет ключевую роль в области создания лекарств и химическом анализе.

Традиционно технология выделения гелия из природного газа подразумевает глубокое охлаждение и сжатие, в результате чего образуется жидкий метан и газообразная гелиево-азотная смесь. Мембранная технология основана на способности мембран пропускать одни соединения и оставлять другие. 

Десять лет производства оборудования во Владимирской области - достаточный срок, чтобы доказать свою состоятельность. За это время наши мембранные модули вышли на рынок и создали новый стандарт эффективности и экологичности в газовой промышленности. Пока мир ищет пути к энергосбережению, Владимирская область уже нашла его, создав технологию, которая делает добычу ценного гелия более быстрой, гибкой и экономичной.

Проект «Нобелевские лауреаты» выполняется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.