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宇宙第二多的氣體氦氣,中國95%靠進口,不怕被美國「卡脖子」?

2024-10-06科學

2021 年上半年,咱國家進口的資源被國際上猛擡價,像鐵礦石啊、石油啥的。

有一種不太顯眼的氣體資源,那就是氦氣。這氦氣在航天、軍事、醫學等高科技方面用處挺廣,而且很難找到能替代它的,簡直是氣體裏的「稀土」。咱國家每年得有 95%的氦氣得從外國進口來。

這樣的資源架構能撐得久嗎?咱國家的氦氣,要怎樣才能擺脫被「卡脖子」的困境,做到自己能行呢?

【氦氣是什麽?】

提起氦氣,好多人可能不太了解,可一說到「氫氣球」,那情況就不同了。實際上,「氫氣球」的準確叫法該是「氦氣球」,裏面充的是氦氣,人們到現在還管它叫「氫氣球」,純粹是一種習慣罷了。

這意味著,氦氣和氫氣具有頗多的類似之處,最顯著的特點就是——輕。

氦是宇宙中第二輕的元素,同時,它也是宇宙中含量第二高的元素,在宇宙大爆炸時期大量產生,占了全宇宙元素質素的約1/5,超過其他原子總和的12倍。

但是,地球卻似乎沒能得到氦的「眷顧」,含量十分稀少,氦氣也被叫作稀有氣體,雖然在空氣當中就有,但其體積僅占空氣體積的0.0005%左右,而且氦氣由於輕,很容易逃逸到大氣當中去,人類無法再利用,因此它也被歸類為不可再生資源。

除此以外,氦氣還是一種惰性氣體,化學性質非常穩定,它既不易溶於水,也幾乎不會和其他元素發生反應。試想生活中,我們常常聽到「氫化物」的說法,但卻從來沒有「氦化物」的說法。它的穩定,賦予了它很多氫氣做不到的用途。

【氦氣用途有多廣?】

減壓劑氦氣也被用來加入氧氣罐中充當減壓劑。潛水員在海中承受的壓力比在陸地上大得多,很容易出現暈眩、耳鳴、呼吸困難的癥狀,這時候如果從氧氣瓶中吸入密度壓強大的氧氣,會給人體帶來很大的危險。

氦氣能跟氧氣摻和在一塊兒,把氧氣罐裏的壓強給降下來,弄出個合適的氣密度,這樣潛水員就能順溜地吸進氧氣,防止「減壓病」出現。

另外,氦氣的沸點特低,是零下 268.93℃,得特別接近絕對零度(零下 273.15℃)時才會變成液態,而且不會凝固,所以它在制冷上表現很出色。

醫用核磁共振得靠氦氣的制冷作用。這核磁共振裏得用超導體造影,咱都清楚超導體得在極低溫度下才能達到電阻為零的情況。說白了,得讓制冷的液氦圍著超導體,這樣電流就能在超導體裏透過,產生強磁場,才能得到內臟器官的高清晰度影像。

航天是火箭發射氦氣制冷的又一個重要作用範疇。

氦氣能給精準焊接的原料降溫、把雜質吹走並封住,免得焊接的地方產生氧化反應

在火箭裏,氦氣能夠操控各種氣動閥門以及部件,特別是液氫低溫閥門呢。

在航空器飛行或者著陸的過程中,得把氦氣當作液態系統的氣密劑來使用。

據數據顯示,NASA(美國太空總署)每年會耗費上億立方英尺的氦氣。

核反應堆氦氣在第三、第四代核電裏有套用,它的熱導率比二氧化碳高不少,是其的4.5倍呢,輸送熱量時消耗的功率比除氫氣外的其他氣體都低得多,這樣能讓發電時的熱能利用效率變高,也能拿來給空氣冷卻,降低熱汙染,在冷卻水源不夠的地方能起到替代的作用。

得說一下,氦氣有惰性,能防腐蝕呢,毛主席水晶棺裏充的防腐蝕的氣體,那就是氦氣。

【美國氦氣為何能夠實作壟斷?】

那氦氣多重要啊,拿它來讓氣球飄起來,是不是有點浪費了呢?要知道,這氦氣在全球那可都是很受歡迎的氣體之一,美國還把氦氣劃到國家安全材料的名單裏去了呢。

得承認,美國在氦氣這事兒上還挺特殊的。1903 年的時候,美國從大型油氣田裏頭首次弄出一種「沒法點燃」的天然氣,之後科學家一分析,才曉得這天然氣點不燃是因為裏邊氦氣含量挺高。

後來,美國搞出了分離氦氣的技術,成了全球第一個能工業制純氦的國家,從那以後,全球差不多所有的氦氣資源和技術都被美國掌控了。

2020 年,美國產出了 21.5 億立方公尺(也就是 6100 萬立方米)的氦氣,在全球產量中占比大約 44%,是世界上氦氣產量最高的國家。這樣一來,美國不但不會被「氦氣荒」難住,而且在國際氦氣市場上很有話語權,能透過對進出口的限制,來卡別的國家的「脖子」。

咱中國就是被這影響挺大的一個國家,咱國家的氦氣資源在世界上也就占個 2%上下,按國內的需求來算,每年差不多有 95%的氦氣得靠進口。

咱對美國氦氣的進口量也就大概 26%那樣,不過美國氦氣價格挺便宜。要是這進口渠道斷了,那進口的平均成本不但會漲,還會給咱國內需要氦氣的各個行業帶來麻煩。

當下,中國進口的氦氣量持續連年上升,平均增長振幅在 15%上下。同時,氦氣進口價格也不停上漲,2018 年上半年,氦氣平均價格是 48.9 美元/公斤,2019 年同期漲到了 56.9 美元/公斤,年度漲幅為 16.36%;2020 年,氦氣平均進口價格更是到了 82.2 美元/公斤,年度漲幅達 44%。

這雖說跟 2020 年的疫情有點關聯,可背後肯定也有美國在人為擡高價格。而且,咱不但進口價格被卡著,就連氦氣制造的技術也受到了影響。

上個世紀,德國被美國的氦氣「拿捏」住了,只好把氦氣飛艇換成氫氣飛艇,結果引發了爆炸,這也讓飛艇產業沒落了。咱想想,要是中國在半導體、航天領域被「氦氣」制裁了,那後果得比德國嚴重多少啊?

跟美國一比,中國可沒這好運氣,那咱能不能靠人的努力,打破美國對氦氣的壟斷,改變這危險的資源狀況呢?

【如何實作「自立行走」?】

中國天然氣中的氦氣含量很少,這樣的先天缺陷很難改變;但從2020起,中國科學院理化技術研究所的一個小組發現,中國可以從天然氣的廢料當中提取氦氣,這一旦成功,能夠成為中國氦氣產業的「翻盤」,同年7月,中國首座大型氦氣廠在寧夏鹽池縣正式營運。

從廢料中能生產的氦氣有多少呢?不多,年產量僅僅只有20噸左右,和每年4300多噸的需求量存在很大差距。

但這僅僅是一座工廠的產量,如果中國可以建立幾百座類似的工廠,我們想要實作「自力更生」並非難事。

除此之外,生產氦氣的是「天然氣廢料」,材料成本幾乎等於0,而一座工廠的建設成本預計在3000萬~5000萬人民幣之間,並不算特別昂貴,而且可以長期使用,性價比來說和進口氦氣「有的一拼」,隨著時間越來越長,還能收回越來越多的成本。

不僅如此,中國在探月領域也走在全球前沿,在未來,中國將有機會開采月球上的氦資源。而月球上的氦含量遠遠高於地球,預計有100萬噸氦-3附著在月球表層。

氦 - 3 跟氦氣不一樣,不過它可是很了不起的未來新型能源呢,還比當下常用的核電材料更安全。月球上氦 - 3 的總儲量能讓人類用上 700 年呢。

當然啦,這不過是個美好的想法。當下最要緊的是把現有的氦資源基礎設施建設好,達到最高效率的利用,起碼得讓中國在高、精、尖領域不被「卡脖子」,這樣中國的發展才能穩穩地向前邁一步。

要是美國想跟中國打資源戰爭,那可得掂量掂量。要知道,中國可是握著全球一半的稀土資源呢,這能讓美國得多琢磨琢磨。在國際上,在資源這塊兒,只有合作共贏那才是正事兒!