Инертные газы – цена благородства Газы бывают благородными, а геополитика?

Решение прекратить экспорт инертных газов стало ответом на запрет поставок в Россию микропроцессоров и литографического оборудования, используемого для их производства. Эта связь не случайна – производство микропроцессоров без этих газов невозможно. Так что блокировка является встречной контрсанкцией по принципу «Так не доставайся ты никому!». Предприятия по производству микрочипов и полупроводников по всему миру сейчас испытывают сильнейший дефицит сырья, а цены выросли на порядок. Учитывая глобальный кризис недопроизводства микрочипов в мире, это серьезный удар по мировой экономике.

Но почему так важны эти газы?

Истинное благородство

Инертные газы относятся к 18-й группе химических элементов периодической таблицы Менделеева. К ним относятся гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn). Последние три вещества (криптон, ксенон и радон) формально нельзя именовать инертными, так как начиная с 1961 года, получено довольно много устойчивых химических соединений этих газов с фтором, хлором и даже с классическим окислителем – кислородом. Поэтому вместо термина «инертные» чаще используется другой – «благородные» газы. Характеристики благородных газов связаны с тем, что их электронные оболочки из валентных электронов являются заполненными, тем самым позволяя участвовать лишь в очень малом количестве химических реакций.

Еще одна сторона «благородства» – благодаря своей инертности эти газы являются неисчерпаемым ресурсом. Несмотря на их малое объемное содержание в воздухе: для неона оно составляет 18×10-4% , для криптона – 1,14×10-4 % и ксенона – 0,086×10-4%, – их не становится меньше, сколько ни добывай. Сырьевые ресурсы нефти, горючих газов и ряда элементов медленно истощаются: они химически изменяются (сгорают) или рассеиваются в результате человеческой деятельности. Инертным газам такая участь не грозит, они возвращаются в атмосферу после использования, не меняя свой химический состав и физическое состояние, то есть без потерь.

Однако «неисчерпаемый» не означает «легкодоступный».

Как поймать газ?

В атмосферном воздухе объемное содержание аргона составляет 0,93%. Этот газ производится при разделении воздуха в количествах, исчисляемых миллионами кубических метров в год. Гелий в коммерчески рентабельных концентрациях содержится в природном газе и производится в больших объемах при первичной переработке газового концентрата. В связи с этим гелий и аргон не считают «редкими» инертными газами.

Редчайшим из инертных газов является радон, содержание которого в воздухе составляет ничтожную величину (в среднем 6×10-18% по объему), хотя есть местности, где содержание радона превышает среднюю величину в сотни раз. Радон в промышленных объемах не производится, тем более, что этот газ является радиоактивным с периодом полураспада чуть больше трех суток.

Основные «коммерческие» инертные газы: неон, криптон и ксенон – производятся в несколько этапов из атмосферного воздуха

Первый этап производства связан с переработкой огромного количества воздуха на воздухоразделительных установках. Разделяют воздух на ректификационных аппаратах, работающих по такому же принципу, как установки переработки нефти или промышленные спиртзаводы, – разделение по температуре кипения. Воздух очищают от углекислоты и влаги и с помощью глубокого холода сжижают. Далее жидкий воздух постепенно испаряют. Поскольку кислород кипит при более высокой температуре (на 12,9°), чем азот, то вначале последний испаряется в почти чистом виде, и остающаяся в испарителе жидкость обогащается кислородом. Дальше разделяют на компоненты уже сжиженный кислородный концентрат, отделяя его от других газов.

Невысокий процент содержания благородных газов делает КПД этого процесса весьма низким, поэтому сами газы должны выходить чудовищно дорогими. Менее чем полвека назад считалось, что из-за рассеянности криптона и ксенона в воздухе человечество навсегда лишено надежды на получение этих газов в промышленных масштабах и, следовательно, на практическое их использование. Однако на помощь пришла металлургия.

Дело в том, что металлургические заводы потребляют в огромных количествах кислород, то есть большая часть работы воздухоразделительный установок – выделение чистого кислорода – окупается еще до того, как дело дошло до благородных газов. Их получение стало побочным продуктом металлургического процесса, что позволило добиться высокой рентабельности производства неоно-гелиевой смеси, основного сырья для дальнейшей очистки.

Причем тут микросхемы?

Не так давно у благородных газов было довольно узкое применение. Неон использовался в основном для уличных вывесок, гелий – для шариков, аргон – как сварочная среда и так далее. Но развитие микроэлектроники все изменило.

Сами по себе микросхемы никаких газов не содержат, однако их производство требует лазеров, а они в качестве рабочего тела используют инертный газ.

Микросхемы сейчас печатаются на литографе – кремниевые пластины покрыты тонким слоем светочувствительного полимерного материала, по которому лазеры «выжигают» нужный рисунок. Для этого процесса требуются именно газовые лазеры – полупроводниковые не подходят. В них есть емкость с газом, который возбуждают электроразрядом. В спокойном состоянии инертный газ состоит из одиночных молекул, но под действием электроразряда они соединяются в пары и отдают энергию в виде вынужденного излучения (так называемые «эксимерные» лазеры). Самые продвинутые установки для литографии делает единственная компания — нидерландская ASML. Они отличаются от остальных «экстремальной ультрафиолетовой литографией» – лазеры там работают на самой высокой световой частоте (там, где ультрафиолет уже переходит в рентген). Чем короче длина волны, тем более мелкие структуры можно выжечь на чипе. Так что все «низконаномерные» современные процессоры производятся на установках ASML, которым нужны лазеры, которым, в свою очередь, нужны газы.

И все бы хорошо, но литографы ASML, которые, к слову, созданы при участии российских ученых, в частности, Института спектроскопии РАН, в Россию больше не продают – санкции.

И вот мы от физики переходим к геополитике.

Команда была «Газы»!

В конце апреля консалтинговая фирма Techcet провела 7-ю ежегодную конференцию Совета по критическим материалам, и вице-президент компании Micron Джон Витман признал, что дефицит инертных газов налицо, а когда он закончится – неизвестно. «Цепочка поставок критически важна для производства микросхем, и ситуация на Украине повлияла на нее».

До начала текущего геополитического кризиса 40% поставок неона в мире и до 90% в США обеспечивали два украинских предприятия – мариупольский «Ингаз» (Мариуполь) и «Криоин Инжиниринг» (Одесса). Оба предприятия получали сырье для своего производства из России. По понятным причинам эти поставки прекратились, а мировые цены на неон взлетели с $290 за кубометр до $3000.

В мире есть и другие предприятия, но и для них сырье поставлялось из России. Наша страна поставляла инертные газы таким компаниям, как немецкая Aerogas GMBH, европейское представительство американской Air Products, японской Iskra Industry, южнокорейской Matheson Gas Products Korea. Российская компания «Малахит» работала с Linde, а Пермская химическая компания – с американской Electronic Fluorocarbons. Из российского сырья получало газы французское предприятие Air Liquide – и так далее. Все они не скрывают серьезной озабоченности поставками.

Сырье — это неоново-гелиевая смесь. Ее получают на металлургических заводах как побочный продукт выделения кислорода. Россия – страна с мощнейшей металлургической промышленностью, а значит, и неона у нас полно. А мировая микроэлектроника осталась не только без украинского чистого неона, но и, как минимум до конца 2022 года, без российской неоново-гелиевой смеси, из которой этот чистый неон делают. Провал поставок будет сложно компенсировать.

Меж тем, микроэлектронные гиганты Intel, Samsung и TSMC собрались строить в Штатах новые заводы по производству микросхем, поэтому, как ожидается, спрос на инертные газы вырастет в ближайшие годы на 37%.

Газовый коллапс

Чем закончится текущий газовый кризис? Предсказать это сложно, потому что дело не в самих поставках газа. Их, в общем, несложно компенсировать. Этот кризис не первый, аналогичная ситуация наблюдалась в 2015 году. Тогда дефицит закрыл Китай: там быстро построили около десяти установок по производству чистого неона, после их запуска мировые цены снова упали.

Россия обладает самыми большими возможностями для производства неоно-гелиевой смеси – у нас много крупных металлургических комбинатов, а установки по разделению неоно-гелиевой смеси стоят не очень дорого. Такое оборудование вполне по силам купить даже среднему бизнесу. Но Россия в этом не уникальна – мощная металлургия есть в Китае, и он уже сейчас способен обеспечить до половины мирового рынка.

Несколько сложнее с поставками ксенона и криптона: Россия и Украина в совокупности обеспечивали порядка 30% мировых поставок этих газов. Заменить их непросто, ведь металлургические заводы не горят желанием покупать новые воздухоразделительные установки стоимостью $150 млн. Однако технические газы составляют не очень большую долю в стоимости чипов. Десятикратное их подорожание с февраля увеличило конечную цену на процессоры всего на несколько процентов.

Хотя сложности у производителей микрочипов нарастают лавинообразно, ситуация с благородными газами – лишь частный случай. Проблема носит более общий характер, и связана с разрывом логистических цепочек по огромному ряду поставок и общего кризиса глобального производственного процесса. Газы просто стали фокусом для медиа из-за контрсанкций России, сами по себе они рынок не обрушат.

Коллапс сферы производства микросхем возможен, но какая именно соломинка преломит спину этому верблюду, никто сейчас сказать не может.