生日派对上飘起的彩色气球

总能给聚会添上几分欢乐

可很少有人知道

这些能让气球轻盈升空的气体

也是支撑中国高科技发展的

“黄金气体”

氦氧混合气可以预防潜水员的“减压病”

医院MRI超导磁体需要液氦冷却

芯片制造要靠氦气除尘防湿

保证光刻精度……

然而，就是这样不可或缺的关键资源

我国曾95%依赖进口

科技供应链的“氦气之痛”

一度让多个高端领域悬于他人之手

 

氦气之困，源于地球的“先天不足”

作为放射性元素衰变的产物

地球大气中氦气丰度更是低至5.24ppm

对比钠元素1.7%的丰度

相当于1与200万的差距

我国氦气储量更是仅占全球2%

国际上主流的天然气提氦路径

我国难以复制——

美国部分气田氦含量达7.5%

而我国优质气田最高仅0.2%

2022年，国际氦气价格暴涨30%

国内依赖氦气的产业瞬间承压

破解困局迫在眉睫

 

转机，藏在被视作“安全隐患”的煤层气之中

中国煤炭科工集团煤科院煤化工分院炭材料所副所长郭昊乾

点出了这一“放错位置的资源”的潜力：

“煤层气就是煤矿瓦斯

以前开采时抽采出来后直接排放

既浪费资源又加剧温室效应

同时，在部分煤层气中含有的氦气浓度

已经达到了0.1%”

然而，从煤层气中提氦

难度堪比“从乱炖里精准捞出一粒芝麻”

煤层气是甲烷、氮气、二氧化碳的“气体杂烩”

而氦气分子极小

常规气体分离技术如同“用渔网捕小鱼”

根本无法锁定

科研团队另辟蹊径：

既然捕不上来，就把“水”抽干

 

这套创新思路，催生出

“变压吸附+膜分离+精制纯化”的

非液化提纯工艺组合拳

变压吸附是第一道“气体筛子”

在特制吸附塔中

煤层气缓缓流过

甲烷、二氧化碳被填料牢牢吸附

相对纯净的氦气从塔顶流出

待压力降低，吸附的气体再分步释放

实现氦气提纯、甲烷回收、脱除二氧化碳的“一举三得”

 

研发路上

氦气的“逃逸天性”给团队出了难题

变压吸附后

氦气产量始终低于理论值

排查所有装置却找不到泄漏点

团队经过分析最终发现

看似致密的承压软管

在分子层面布满小孔

氦气正顺着这些“隐形通道”溜走

 

团队果断将所有软管更换为不锈钢硬管

不仅守住了氦气产量，更从中获得灵感：

利用氦气分子小的特性

开发膜分离技术

让氦气穿过分离膜“泄漏”到外层收集

大分子杂质被截留

实现第二次提纯

 

最后一步“精制纯化”

是对氦气的“抛光”

通过低温变压吸附与复杂除杂

氦气纯度最终达到99.999%

相当于十万人体育场中，仅有1个“坏蛋”

这样的高纯度氦气

能减少芯片残缺率

提升低温超导实验准确度

填补我国高端氦气自主供应的空白

2023年

全球首套3.6万Nm³/d含氦煤层气提氦装置

一次开车成功

这套装置每天可以处理3.6万标方煤层气

年产氦气3.2万标方

不仅打破国外技术垄断

更实现“资源全利用”：

提氦后的煤层气用于发电

既减少甲烷排放，又降低碳排放

“‘鱼’可以暂时从其他地方购买

但是我们国家

必须拥有自己的‘捕鱼本领’”

郭昊乾在讲到煤层提氦技术的研发时这样说

 

曾经被视作隐患的煤层气

如今成了守护航天发射、医疗诊断

芯片制造的“安全底气”

这场“捕氦”之战

不仅填补了技术空白

更让每一份“煤海宝藏”

都成为中国科技行稳致远的坚实底座

 

《智造未来》系列科普视频每集聚焦一项近年来我国进行科研攻关的关键核心技术，通过专家访谈、实地拍摄、动画演绎等多种形式，结合多样化的表现手法，以技术的演进路线为主轴，通俗阐释其对产业变革、经济发展、社会进步的深远影响，呈现一堂永不落幕的“科学公开课”，吸引更多年轻人奔赴科技的“星辰大海”。

 

出品｜中国科学技术馆

摄制｜光明网

特别鸣谢｜中国煤炭科工集团有限公司

中国煤炭科工集团煤炭科学技术研究院有限公司

甘肃科贝德煤与煤层气开发技术有限公司