1903 року жителі невеликого містечка Декстер, що в Канзасі (США), зібралися, щоб відсвяткувати відкриття нової свердловини природного газу. Натовпи людей стікалися до місця буріння, очікуючи на видовищне запалювання газу, який, за словами чиновників, мав утворити “величезний стовп полум’я”. Проте, коли на свердловину скотили палаючий тюк сіна, нічого не відбулося – полум’я так і не спалахнуло.
Аналіз, проведений у 1905 році, виявив, що більша частина газу складалася з негорючого азоту, лише 15% припадало на метан – і трохи менше ніж 2% становив безбарвний, позбавлений запаху, невловний елемент, який вчені відкрили лише кількома десятиліттями раніше. Ця подія знаменувала перше виявлення гелію в родовищі природного газу. Довідка: Гелій – це інертний газ, другий за поширеністю елемент у Всесвіті після водню, проте на Землі він трапляється рідко. Його виявили як елемент сонячного спектру у 1868 році, а потім і на Землі.
Хоча гелій і є другим за поширеністю елементом у космосі після водню, на нашій планеті його запаси досить обмежені. Цей інертний газ не вступає в реакції з іншими елементами і накопичується переважно в земній корі внаслідок радіоактивного розпаду урану та торію, що триває мільярди років. Оскільки поповнення гелієвих родовищ відбувається значно повільніше, ніж їх виснаження, гелій класифікується як невідновлюваний ресурс. Відкриття в Декстері проклало шлях для формування гелієвої промисловості, яка стрімко розвивалася під час Першої світової війни. Тоді країни-учасниці конфлікту усвідомили, що гелій є чудовим засобом для підйому військових дирижаблів. На відміну від водневих апаратів, повітряні судна, наповнені гелієм, не вибухали при ворожому обстрілі. Крім того, особливі властивості гелію, зокрема його здатність зберігати рідкий стан при температурах, близьких до абсолютного нуля – близько мінус 273,15 градуса за Цельсієм, дозволяли йому ефективніше охолоджувати такі механізми, як двигуни та магніти, порівняно з будь-яким іншим елементом.
Нині гелій є незамінним охолоджувальним складником у ядерних реакторах, ракетах і медичному діагностичному обладнанні, зокрема в апаратах МРТ. Цей газ підтримує низькі температури для оптоволокна, надпровідників, квантових комп’ютерів та напівпровідників. Однак стрімке зростання попиту на гелій довело ланцюги постачання до критичної межі, спричинивши глобальний дефіцит, що триває вже понад десять років. Крім того, видобуток гелію залишає значний вуглецевий слід – майже еквівалентний річному показнику Великої Британії – оскільки наразі його отримують виключно разом із природним газом. Довідка: МРТ – це магнітно-резонансна томографія, сучасний метод медичної діагностики, що використовує сильні магнітні поля та радіохвилі для отримання детальних зображень органів і тканин. Гелій необхідний для охолодження потужних магнітів томографів.
Проте останніми роками новаторські відкриття радикально змінили уявлення вчених про геологічні умови, що сприяють накопиченню гелію. Дослідники виявили родовища первинного, “безвуглецевого” гелію – значні зосередження цього газу, які мають високу концентрацію та не містять метану. Ці знахідки здатні здійснити справжню революцію в промисловості. Це оновлене розуміння підштовхнуло до розвідувальних проєктів у кількох куточках світу. Від Єллоустоуна до Гренландії та Східноафриканського рифту – починається “гелієва лихоманка”, спрямована на подолання дефіциту та зменшення величезного вуглецевого сліду, що залишає видобуток гелію. “Це нова галузь”, – зауважив Томас Абрахам-Джеймс, співзасновник і головний виконавчий директор розвідувальної компанії Pulsar Helium, в інтерв’ю Live Science.
Ідеальні закупорювання, недосконалі об’єми
Після Першої світової війни, коли потреба у гелії зросла, по всьому світу почали множитися його відкриття, а Сполучені Штати зайняли позицію світового лідера у його виробництві. Свердловини з вмістом гелію 0,3% і вище активно експлуатувалися для забезпечення зростаючої кількості галузей промисловості та формування стратегічного запасу – Федерального гелієвого резерву в Амарилло, Техас. (Цей запас був проданий у 2024 році промисловій газовій фірмі Messer.) Однак гелій досі видобували лише як незначний побічний продукт, зазвичай у мізерних кількостях, змішаних із природними газами, такими як метан.
Це пояснюється тим, що для переміщення гелію із середніх шарів земної кори до поверхневих регіонів необхідні гази, такі як метан і вуглекислий газ (CO2), як зазначив Кріс Баллентайн, професор геохімії Оксфордського університету, в електронному листі до Live Science. Гелій утворюється у верхніх 25 кілометрах земної кори, коли уран і торій розпадаються на інші радіоактивні елементи, випускаючи альфа-частинки – ядра гелію. Ці ядра гелію захоплюють два електрони від атомів у навколишньому середовищі, утворюючи атоми гелію, які потім мігрують і поступово накопичуються в ґрунтових водах на глибині до 16 кілометрів під поверхнею Землі, пояснив Баллентайн.
Проте, щоб атоми гелію могли сформувати газ, вони повинні досягти своєї “точки кипіння” – тобто концентрації розчиненого газу в рідині, необхідної для утворення плавучих газових бульбашок. За словами Баллентайна, гелій у ґрунтових водах рідко накопичується в достатніх обсягах для досягнення цієї точки. Тому зазвичай потрібні інші, поширеніші гази, такі як метан та CO2, щоб захопити гелій та утворити бульбашки, що піднімаються до геологічних пасток. Ці геологічні пастки часто є родовищами природного газу. Гелій також затримується там, оскільки родовища природного газу, як показують дослідження, нерідко мають міцні ущільнення.
Родовища природного газу формуються під шарами дрібнозернистих “покривних” порід та мінералів. Приміром, в австралійському басейні Амадей гелій і природний газ ув’язнені під товстим сольовим шаром, який виступає в ролі “ідеального” ущільнення, – розповів Live Science Джон Глюяс, професор геоенергетики, уловлювання та зберігання вуглецю з Даремського університету у Великій Британії. Однак більшість місць не мають ідеально запечатаних резервуарів для утримання гелію під землею, тому газ витікає в атмосферу. “Усі системи негерметичні”, – зазначив Глюяс. Як наслідок, більшість регіонів із гелієвмісними породами виділяють деяку кількість гелію, тож “якби ви вийшли з досить чутливим інструментом, ви б його знайшли”, – додав він.
Зв’язок гелію з природним газом дозволяє видобувати обидва ресурси одночасно, але такий підхід має значні недоліки. По-перше, нині гелієва промисловість створює непрямий вуглецевий слід обсягом близько 320 мільйонів метричних тонн на рік, що перевищує показники більшості країн світу, за винятком 20. Другим негативним аспектом є те, що країни, які володіють покладами природного газу, та компанії, що їх розробляють, контролюють світові постачання гелію. Раніше Сполучені Штати домінували у світовому виробництві, але у 2022 році лідерство перехопив Катар. Залежність від інших країн у постачанні гелію створює ризики, пов’язані з регіональною геополітикою, – наголосив Глюяс. Алжир та Росія також є провідними виробниками гелію, що викликає аналогічні занепокоєння. Але найвагоміша проблема з видобутком полягає в тому, що природний газ містить мізерні кількості гелію. У США нижня межа рентабельності для відокремлення гелію від природного газу становить 0,3%, тоді як деякі країни, маючи інші методи виробництва та транспортування, працюють з набагато меншими показниками. Наприклад, родовище Хассі Р’Мель в Алжирі містить 0,19% гелію, а поклади Північного купола в Катарі – 0,04% гелію, але обидві країни успішно видобувають гелій у цих місцях.
Проривні відкриття
Статистика свідчить, що лише приблизно одне з шести родовищ природного газу в США містить понад 0,3% гелію, а концентрації вище 7% зустрічаються вкрай рідко. Це означає, що економічно вигідні об’єми гелію в Сполучених Штатах є радше винятком, ніж правилом. Аналогічна тенденція спостерігається і в інших країнах. Тому, коли у 2016 році в Танзанії вчені виявили родовище азотного газу, що містило до 10,4% гелію, вони були приголомшені. Газ виходив з-під землі в басейні Руква Рифт, розташованому на дивергентній межі літосферних плит, відомій як Східноафриканський рифт. Довідка: Східноафриканський рифт – це велична геологічна структура, де Африканська плита розколюється, створюючи умови для вулканічної активності та глибоких розломів. Що особливо важливо, у басейні Руква Рифт відсутні поклади природного газу чи інших вуглеводнів. Це стало першим значним підтвердженим відкриттям родовища гелію без вуглеводнів, що спричинило безперервне світове полювання на подібні резервуари.
Баллентайн, Глюяс та Абрахам-Джеймс входили до складу команди, яка здійснила це відкриття в Танзанії. “Наш підхід, по суті, схожий на той, що використовує будь-який розвідник для нафти – ми шукали витоки”, – пояснив Глюяс. Витоки гелію “трапляються скрізь”, за його словами, але їхнє виявлення складніше, ніж пошук нафти, адже гелій не має запаху, кольору і зазвичай присутній у низьких концентраціях. Відтоді дослідники та розвідувальні компанії намагалися встановити, чи відомі витоки гелію ведуть до родовищ цього благородного газу без вуглеводнів із високими концентраціями. Наприклад, у 2021 році розвідувальна компанія Pulsar Helium придбала ділянку землі поблизу Баббітта, штат Міннесота, де раніше компанія, що шукала нікель, вже виявила газ із високим вмістом гелію. На початку 2024 року Pulsar Helium пробурила свердловину завглибшки 670 метрів і виявила величезне газове родовище з концентрацією гелію до 14,5% – це найвищий показник, який коли-небудь фіксувала галузь у Північній Америці.
Іншими газами в цьому родовищі були азот і CO2. Проте ділянка не містить природного газу, тому представники Pulsar Helium вважають її первинним накопиченням гелію. Хоча концентрації CO2 перевищували 70%, компанія розглядає це як можливість, а не проблему, оскільки газ достатньо чистий для використання у виробництві газованих напоїв, водоочищенні, консервації продуктів та медицині.
Унікальні геологічні умови
Що більше родовищ безвуглецевого гелію виявляють дослідники та компанії, то глибше їхнє розуміння геологічних процесів, які формують ці резервуари. Невдовзі після відкриття в Танзанії геологи визначили п’ять визначальних умов, необхідних для утворення накопичень гелію без супутнього природного газу. По-перше, регіон має містити гелієутворюючі породи на значній глибині. Найкращими джерелами гелію є породи, що містять уран або торій і зазвичай складаються виключно з кристалізованих мінералів, – зазначили Глюяс, Баллентайн та їхні колеги у статті 2024 року для Energy Geoscience Conference Series. Це зумовлено тим, що кристалічні породи твердіють з магми, яка надзвичайно повільно охолоджується під землею. Цей неспішний процес сприяє концентрації радіоактивних урану та торію, що є нестабільними елементами у мінеральних структурах і, отже, одними з останніх, що вбудовуються. Граніт, за словами Баллентайна, є одним з найефективніших джерел гелію.
В ідеалі, вік цих порід має сягати сотень мільйонів, а то й мільярдів років, адже радіоактивні ізотопи урану та торію, що розпадаються на альфа-частинки, мають період напіврозпаду 4,5 мільярда та 14 мільярдів років відповідно, як стверджується в статті. Це означає, що стільки часу потрібно для розпаду половини зразка цих елементів на гелій. Відтак, для накопичення достатньої кількості гелію, щоб заповнити значне родовище, потрібні мільйони років.
Другим критерієм для формування безвуглецевого гелієвого родовища є наявність джерела тепла навколо порід. Зазвичай гелій “заморожений” у кристалічній ґратці мінералу, оскільки ця структура є “заблокованою” – тобто не обмінюється молекулами з навколишнім середовищем. Щоб мінерали вивільнили цей гелій, вони мають перевищити свою “температуру закриття” – показник, за якого ґратка розблоковується. Ця температура варіюється, але може бути вищою за приблизно 70 градусів за Цельсієм для одного з найпоширеніших гелієвмісних мінералів.
Часто джерелом тепла є вулканічна або геотермальна активність, тому безвуглецеві гелієві родовища зазвичай зустрічаються в регіонах, де вулканізм існує або колись існував. Наприклад, під басейном Руква Рифт Східна Африка віддаляється від решти континенту, що спричиняє підняття магми до поверхні. Подібним чином, розвідувальна ділянка Pulsar Helium у Міннесоті розташована на давньому розломі в земній корі Північної Америки, відомому як Середньоконтинентальна рифтова система. Довідка: Середньоконтинентальна рифтова система – це гігантський геологічний розлом, що сформувався близько 1,1 мільярда років тому і був пов’язаний з інтенсивною вулканічною діяльністю. Ця рифтова система виникла, а потім припинила свою активність приблизно 1,1 мільярда років тому, породивши інтенсивну вулканічну діяльність протягом приблизно 100 000 років свого існування.
Третьою умовою для формування безвуглецевого гелієвого родовища є наявність азоту в ґрунтових водах. Азотні бульбашки здатні транспортувати гелій вгору крізь земну кору аналогічно тому, як це роблять бульбашки метану та CO2, але при цьому повністю усуваючи парниковий ефект.
Четверта умова – це потреба у відносно герметичних “покривних породах”, які розташовані близько до поверхні над гелієутворюючими породами в земній корі. Адже коли азот досягає своєї точки кипіння, він захоплює атоми гелію і переміщує їх доти, поки гази не вирвуться в атмосферу або не будуть уловлені. Але для цього покривні породи повинні утворювати непроникне ущільнення.
П’ята, і остання, умова полягає в тому, що ці покривні породи мають лежати поверх тріщинуватих, пористих “колекторних” порід, здатних зберігати газ, – написали Баллентайн, Глюяс та їхні колеги у статті 2024 року. Темп зростання родовища залежить від швидкості надходження газів знизу та їх виходу через тріщини в ущільненні, зазначають дослідники. Чим більше гелію надходить у родовище і чим менше його витікає крізь ущільнення, тим більшим може стати накопичення. Інакше кажучи, в ідеальних родовищах знизу розташовані пористі або сильно фрагментовані породи, а зверху – непористі, цілісні. Гелієві резервуари з непроникними ущільненнями можуть утримувати гази протягом тривалих геологічних періодів. Наприклад, зв’язок між родовищем у Міннесоті та Середньоконтинентальною рифтовою системою свідчить про те, що гелій там накопичувався протягом 1,1 мільярда років.
Оцінка та розробка
Компанія Pulsar Helium нещодавно повідомила про початок інженерних робіт з будівництва гелієвого виробничого комплексу на своїй ділянці в Міннесоті. Це означає, що безвуглецевий гелій, вироблений у США, може надійти на ринок уже за кілька років. На початку цього року компанія більш ніж удвічі збільшила глибину своєї першої свердловини, щоб досягти дна родовища, а також пробурила другу свердловину завглибшки 1718 метрів. Випробування, проведені влітку, продемонстрували високу швидкість потоку на поверхню та стабільну концентрацію гелію до 8% в обох свердловинах, “що забезпечує міцну основу для подальшого розвитку”, – зазначив Абрахам-Джеймс у вересневій заяві. Відтоді Pulsar Helium пробурила ще одну свердловину завглибшки 1069 метрів та відкрила дві додаткові.
Pulsar Helium також активно просуває проєкт з видобутку гелію у Східній Гренландії – це перше відкриття гелію на цьому острові, – повідомив Абрахам-Джеймс Live Science. “Те, що ми дізналися в Міннесоті та інших місцях, ми застосували в Гренландії і знайшли там гелій”, – сказав він. “Як і в Міннесоті, місцевий гелій не пов’язаний з вуглеводнями. Ми провели сейсмічне дослідження минулого року, і це значною мірою допомогло нам скласти карту родовища”.
Розташована приблизно за 5 кілометрів від прибережного поселення Іттоккортоормііт, ділянка у Східній Гренландії виглядає перспективною для видобутку гелію та геотермальної енергії, що могло б зменшити залежність поселення від викопного палива, – зауважив Абрахам-Джеймс. Картографування, проведене у 2024 році, виявило зону кори з температурою до 130 градусів за Цельсієм, а також тріщинуватий резервуар, який дослідники пов’язали з викидами газу на поверхні, що містять до 0,8% гелію, згідно із заявою Pulsar Helium. Будь-який гелій, видобутий у Східній Гренландії, ймовірно, буде направлений на потреби місцевої громади, – додав Абрахам-Джеймс. Аналогічно, гелій, вироблений у Міннесоті, продаватиметься в США для забезпечення МРТ-сканерів, виробництва напівпровідників та космічних запусків, – уточнив він.
Дефіцит гелію в США дещо послабився з початку 2024 року, частково завдяки додатковим постачанням із родовищ природного газу, – повідомив Ніколас Фіцкі, професор хімії з Університету штату Міссісіпі. “Однак наявність більших внутрішніх запасів була б цінною, оскільки це могло б захистити США від геополітичної нестабільності, що сприяла попереднім дефіцитам гелію”, – зазначив Фіцкі в електронному листі до Live Science.
На іншому кінці земної кулі, в Танзанії, також триває розвідка, де дві розвідувальні компанії наразі повідомляють про вміст гелію 5,5% та 2,46% на різних ділянках басейну Руква Рифт. Ці компанії, Helium One Global та Noble Helium, поки що перебувають на початкових етапах вивчення родовищ, – розповів Глюяс. “Обидві – Helium One та Noble Helium – успішно продемонстрували підвищені концентрації гелію у пробурених свердловинах”, – сказав він. Однак ці свердловини ще не дають повної картини родовища, і воно може не виправдати очікувань дослідників. “Вони можуть припускати, на основі сейсмічної інформації, якою може бути геометрія накопичення, але вони ще не пробурили достатньо свердловин, щоб стверджувати: ‘Це дійсно так'”, – зазначив Глюяс.
Окрім Танзанії, існують потенційні можливості для розвідки гелію в геотермальній зоні Бакресвар-Тантлой в Індії, розташованій на сході країни, на межі штатів Західний Бенгал та Джаркханд. Ця територія лежить на давніх гранітних породах, багатих на уран, які, отже, виробляють гелій. Регіон також має систему розломів та високий тепловий градієнт внаслідок постійної тектонічної активності вздовж рифтової зони Сон-Нармада-Тапті, про що свідчать дослідження.
Ближче до дому, дослідники аналізують умови для потенційних накопичень гелію під Єллоустонським національним парком та навколо нього. Довідка: Єллоустонський національний парк – це відомий заповідник у США, що славиться своїми гейзерами, гарячими джерелами та супервулканом. Парк розташований на Вайомінгському кратоні – доісторичному регіоні земної кори та верхньої мантії, який містить породи віком 3,5 мільярда років, відомі своєю здатністю виробляти величезні обсяги гелію. Завдяки численним геотермальним об’єктам та вулканічним структурам Єллоустоуна, гелій може накопичуватися в резервуарах під парком або на його околицях, хоча ймовірніше, що газ циркулює та виходить в атмосферу через складну систему природних каналів. “Протягом мільйонів чи сотень мільйонів років у регіоні Єллоустоуна гелій накопичувався, а тепер, останні [приблизно] 5 мільйонів років, супервулкан під ним вимиває його”, – пояснив Глюяс. Це означає, що перспективи видобутку цього гелію є віддаленими, не в останню чергу через обпалюючі температури до 135 градусів за Цельсієм, з якими стикнулися б буровики під землею. “Чи витримає ваше бурове обладнання? Майже напевно, ні”, – зауважив Глюяс.
Проте, крім Єллоустоуна, життєво важливо, щоб існуючі безвуглецеві проєкти з видобутку гелію завершили свої оцінки та якнайшвидше почали продавати газ, – підкреслив Глюяс. “Існує величезна потреба в гелії”, – додав він. Водночас Фіцкі вбачає інший шлях – впровадження технологій, які можуть переробляти або зменшувати наше споживання гелію. Це може бути досягнуто завдяки встановленню систем рекуперації гелію або розробці альтернатив для сучасних “гелієзалежних” технологій, що працюватимуть за кімнатної температури, – пояснив він. Поповнення запасів гелію є гарним тимчасовим рішенням, але не постійним виходом із ситуації, – стверджував Фіцкі. “Зрештою, ми не зможемо вирішити майбутні дефіцити гелію лише шляхом видобутку”, – заявив він. “Гелій є невідновлюваним, і ми не маємо простого способу виробляти його у великих масштабах”.
