乌克兰的战争已经关闭了全球一半的芯片制造所需的关键气体供应。每个人都看到了它的到来。   2014 年，乌克兰东部的政治动荡变得激烈，一场短暂的枪战爆发，中断了该地区著名的苏联时代大型钢铁联合体的运营。连锁反应是氖气供应中断，氖气是一种工业气体，是液态空气蒸馏的副产品。半导体行业分析师指出，世界上这种气体的大部分供应，对用于芯片制造光刻的激光器至关重要，来自这个动荡的地区。今天，在乌克兰东部可能发生的一场旷日持久的战争已经过去了三个月，而短缺现在阻碍了从 COVID-19 中复苏的行业迫切需要的半导体行业。为什么没有人注意到 2014 年的警告？   随着 Covid 19 大流行和乌克兰战争导致供应链中断，很少有人对计算机芯片现在供不应求感到惊讶。对于汽车行业，主要的解释是 Covid 19 改变了消费者的偏好，半导体制造商将产品线从汽车集成电路转向了适合智能手机和平板电脑的产品。但是，包括我自己在内，很少有人想到全球芯片行业可能会因缺乏氖气而受到影响。事实证明，在当今常用的 14 nm 芯片架构所必需的氩氪激光器中，氖（激光器内部 95% 的气体混合物）不会产生激光，但对于该过程仍然是必不可少的。氖管的功能将激光气体原子保持在足够远的距离以在管中的镜子之间产生共振。这是一个过度简化的解释，但你明白了。没有氖气，没有激光，其他惰性气体可能会起作用，但系统是围绕氖构建的。     那么工业是如何制造氖气的呢？   它是从空气中提取的，这并不容易，因为它在大气中几乎没有，大约 18 ppm 的体积。工业过程通过将空气制冷直到变成液体，然后蒸馏液体以蒸发掉各个馏分来制造它，有点像从原油中提炼汽油。这个过程很昂贵，对于单独使用氖来说太昂贵了，但是钢铁工业使用这个过程来制造大量的氧气，这些氧气很容易从空气中获得。氖气、氙气等微量气体会单独蒸发，其他工业用途。   但炼钢在地理上是分散的，钢厂单独运营，生产的这些稀有微量气体相对较少。为了经济地扩展流程，您需要将大量钢铁厂集中在一个小区域内，以创建一个大型空气蒸馏进料系统。而苏联，一直是大型项目的拥护者，不得不在乌克兰东部建造大规模、集中的钢铁联合体。因此，危机的所有因素都已准备就绪。   但奇怪的是，2014 年和 2015 年，乌克兰东部发生了短暂的冲突，当时的半导体行业分析师警告说，氖气供应严重中断的后果。在其间的八年里，似乎没有人为使氖气供应链多样化而采取任何措施，宁愿让乌克兰的一个地区为全球芯片行业提供这种关键工艺气体的一半到四分之三。   众所周知，增加备用不可能一触即发。液态空气的大规模蒸馏分离氖与更换熔炉中的空气过滤器不同，它需要大量的资金投入和时间。中国正在确保他们的国内产业有足够的资源，当然，氖气的价格已经飞涨。制造激光器的人正在寻找减少系统中使用的氖气量的方法，但它确实会磨损，主要的船舶制造商台积电已经启动了一项回收计划。   一种重要的全球行业使用的关键任务工艺气体，其主要供应已知在冲突地区已有近十年之久，并且没有人采取任何措施使供应多样化。现代的全球制造商并不是不使用非常复杂的对冲策略来保护自己免受供应中断的影响。氖气是一场完美风暴：生产成本太高，无法证明大规模独立生产设施作为廉价乌克兰天然气的后备方案是合理的，但如果芯片制造商无法获得足够的资源，它绝对是一个绝佳的选择。这是一个系统性的制造故障，芯片制造商的客户也反映了这一点。依赖少数全球集成电路制造商的汽车制造商无法制造足够的汽车来满足需求。他们很清楚过度依赖供应商稀少的脆弱供应链的后果。   这是短期的、逐季度的管理，没有人知道有多少工业投入像氖气一样、必不可少，并由一个小而不稳定的供应商池控制。降低这些未知但至关重要的供应链的风险至关重要，我所说的风险并不是指保险范围，而是真正努力使全球关键投入供应多样化。   这是世界目前正在经历的通货膨胀失控的一个主要因素。对于制造业来说，世界并不是一个安全的地方。当一次千载难逢的洪水冲走你的房子时，这并不意味着下一次不会发生百年。明年可能会发生。所以聪明的房主建造得更高，高科技制造商也应该这样想。

韩国三星电子不会受到俄罗斯惰性气体出口禁令的影响，因为该公司的原材料来源多元化，但韩国公司将因惰性气体价格普遍上涨而受到影响。   “目前，完全没有问题，”韩国三星电子就惰性气体的进口表示。   韩国三星电子消息人士表示：“长期以来，我们一直在不断准备、建设全球基础设施并使包括天然气在内的关键原材料的供应链多样化。我们不依赖任何一个地方某些原材料和任何在这种情况下，我们形成了一个响应系统，可以在不中断的情况下交付。”   俄罗斯将在 2022 年底之前暂时禁止出口惰性气体，特别是氩气、氦气和氖气。惰性气体是生产半导体的基本材料之一。俄罗斯供应了半导体行业消耗的高达 30% 的氖气。俄罗斯联邦还主要向乌克兰出售气体混合物（氖气和氪气、氪气和氙气），乌克兰从中生产出特别纯净的气体，随后将其销往国外。据 RIA Novosti 专家称，乌克兰向国外供应的纯氖气中，高达 50% 是已通过净化阶段的俄罗斯氖气。   在韩国，三星电子和 SK 海力士等主要导体制造商使用惰性气体。根据韩国贸易、工业和能源部的数据，去年该国从乌克兰购买了 23% 的氖气，从俄罗斯购买了 5%，对于氪而言，这两个国家的进口份额分别为 48%（17% 和 31%）分别），氙气 - 49%（俄罗斯为 31%，乌克兰为 18%）。但是，尽管公司将能够找到替代供应商，但由于乌克兰危机和俄罗斯出口措施导致惰性气体价格大幅上涨，它们将蒙受损失。据《今日亚洲》韩国版报道，中国将从这种情况中受益最大，韩国公司将求助于这种情况来弥补惰性气体的不足。   据 Sege Ilbo 报道，1 月至 3 月，每公斤氖气的价格在 100-200 美元的水平，但从 4 月开始上涨，5 月超过 2000 美元，约为去年平均价格的 39 倍（59 美元）。据 Chosun Biz 报道，中国氖气在 3 月下旬涨至每公斤 569 美元，是去年平均价格 55.2 美元的 10 倍。

台湾在微电子产品的生产方面处于世界领先地位。用另一种替代台湾产品几乎是不可能的。台湾的决定并没有得到回应：俄罗斯限制向“不友好国家”出口惰性气体，包括氖”   台湾已暂停向俄罗斯供应芯片。当地媒体对此进行了报道。我们的政府已经限制了生产微电子产品所需的氖气的出口。我们可以更换台湾芯片吗？其他国家能否替代俄罗斯的惰性气体？   预计台湾将禁止向俄罗斯供应芯片和设备。早在二月份，最大的半导体制造商台积电就拒绝与俄罗斯的企业合作。对俄罗斯来说，这个消息当然令人不快。台湾是微电子生产的世界领先者。如果拿最现代的芯片来说，台湾占据了 90% 的市场。德国人 Gref 对台湾的决定作出反应，承认俄罗斯可能出现芯片短缺。但 Sberbank 的负责人 - 如您所知，通过购买未来的设备来准备制裁 - 仍然认为赤字将被消除。   芯片是高利润产品，现在世界各地都在对其生产进行投资。所以，在未来，有人会卖掉它。诚然，你还需要以某种方式活在当下。但这里还有一点很重要：并非所有台湾芯片都来自台湾，Troitsk 工程中心首席执行官 Evgeny Gorsky 指出。   叶夫根尼·戈尔斯基-“特洛伊茨基工程中心”公司总经理 “这些组件用于所有现代电子设备，从计算机、移动设备到家用电器、汽车等等。我们非常依赖，但我们必须明白，台湾生产的芯片并不总是直接送到俄罗斯。电子元件的生产过程可以分为几个国家，台湾在其中做一个作业，然后芯片最终可以在其他国家封装，然后从其他国家发货。我无法估计台湾芯片的数量。”   台湾的预期决定并未落空。俄罗斯在 5 月底至年底之前限制了对包括氖在内的“不友好国家”的惰性气体出口。并且它用于芯片制造过程中的激光器，俄罗斯是世界上最大的制造商。在我们的案例中，氖气是钢厂的副产品。从历史上看，我们向乌克兰提供原材料，他们在乌克兰进行清洗并将其发送给买家。敖德萨和马里乌波尔的两家乌克兰工厂参与了这项工作。但到了春天，出于显而易见的原因，企业停了下来。他们占据了世界氖气市场的一半。   但我们当局的决定，或许不仅仅是对停止供应芯片的回应。如果我们自己想在微电子领域取得成功，这至少需要几年时间，那么我们自己就需要天然气。Akela-N 惰性气体厂厂长 Vladimir Potapov 评论道。   弗拉基米尔·波塔波夫--惰性气体“Akela-N”生产厂厂长 “俄罗斯使用氖气？是否有新技术，俄罗斯使用氖气的最新进展？在俄罗斯，平均每年使用约 300-350 标准立方米的天然气。世界上使用多达 50 万个，是一千倍以上。它不提供最新技术，而是在国外提供原材料以开发那里的技术。我认为被禁止的东西是绝对正确的。”   正如媒体所写，早在 2 月，白宫就敦促芯片制造商为俄罗斯将限制氖气供应这一事实做好准备，这并非巧合。它当然可以在中国购买，但价格当然会高得多。八年前已经发生了类似的事情，当时由于乌克兰事件，世界市场上的氖气价格上涨了 600%。今年春天，氖气的价格上涨了三到四倍。   总的来说，这一切有点让人想起著名的“燃气管道”交易，当时苏联开始向欧洲供应燃料，并获得大直径管道作为回报。现在，也许，会有一种惰性气体来换取芯片。但后来我们学会了如何自己生产管道。但我们是否会学习如何制造现代芯片是另一个问题。

芯片制造商正面临一系列新的挑战。在 COVID-19 大流行造成供应链问题之后，该行业受到新风险的威胁。俄罗斯是世界上最大的用于半导体生产的惰性气体供应商之一，它已开始限制对它认为敌对的国家的出口。这些是所谓的“稀有”气体，例如氖、氩和氦。   这是俄罗斯总统普京对因入侵乌克兰而对莫斯科实施制裁的国家的又一经济影响工具。根据贝恩公司的数据，战前，俄罗斯和乌克兰共占半导体和电子元件氖气供应的 30% 左右。出口限制正值该行业及其客户开始摆脱最严重的供应危机之际。据 LMC Automotive 称，去年，由于芯片短缺，汽车制造商的汽车产量减少了 1000 万辆。预计今年下半年交付量将有所改善。   氖在半导体生产中发挥着重要作用，因为它涉及称为光刻的过程。这种气体控制着激光产生的光的波长，激光在硅片上刻上“轨迹”。战前，俄罗斯在其钢铁厂收集原始氖作为副产品，然后将其运往乌克兰进行提纯。两国都是苏联时代稀有气体的主要生产国，苏联利用稀有气体来建设军事和太空技术，然而，乌克兰的战争对这个行业的能力造成了持久的损害。包括马里乌波尔和敖德萨在内的一些乌克兰城市的激烈战斗摧毁了工业用地，使从该地区出口商品变得极为困难。   另一方面，自 2014 年俄罗斯入侵克里米亚以来，全球半导体制造商对该地区的依赖逐渐减少。乌克兰和俄罗斯的氖气供应份额历来徘徊在 80% 至 90% 之间，但自 2014 年以来有所下降。不到三分之一。现在说俄罗斯的出口限制将如何影响半导体制造商还为时过早。到目前为止，乌克兰的战争并没有扰乱芯片供应的稳定。   但即使生产商设法弥补该地区损失的供应，他们也可能为重要的惰性气体支付更多费用。它们的价格通常难以追踪，因为大多数都是通过私人长期合同进行交易的，但据美国有线电视新闻网援引专家的话说，自入侵乌克兰以来，氖气的合同价格已经上涨了五倍，并将在相对较长的时间内保持在该水平时间。   科技巨头三星所在的韩国将是第一个感受到“痛苦”的国家，因为它几乎完全依赖惰性气体进口，而且与美国、日本和欧洲不同，它没有可以增加产量的大型天然气公司.去年，三星超越美国英特尔成为全球最大的半导体制造商。在经历了两年的大流行之后，各国目前正在竞相提高其芯片产能，这让它们残酷地暴露在全球供应链的不稳定之中。   英特尔提出帮助美国政府，并在今年早些时候宣布将投资 200 亿美元建设两个新工厂。去年，三星还承诺在德克萨斯州建造一座价值 170 亿美元的工厂。芯片产量的增加可能会导致对惰性气体的更高需求。由于俄罗斯威胁要限制其出口，中国可能是最大的赢家之一，因为观察家说它拥有最大和最新的生产能力。自 2015 年以来，该国一直在投资自己的半导体产业，包括将惰性气体与其他工业产品分离所需的设备。中国是这些气体的净出口国，并声称完全依靠自己的生产。

  俄罗斯配合欧洲四国访乌加速能源“武器化” ，“危机” 蔓延至半导体制造用气。   俄罗斯大幅减少对欧洲的天然气供应，欧洲国家陷入能源危机。人们越来越担心实施“气体分配系统”的可能性。《彭博社》18日报道称，俄罗斯正在将能源武器化，配气更有可能在欧洲成为现实。   能源咨询公司 Wood Mackenzie 预测，如果俄罗斯完全关闭其向欧洲输送的主要天然气管道，欧洲可能会在明年 1 月耗尽天然气库存。德国电力、天然气和通信管理局的“联邦网络机构”预测，如果政府宣布进入紧急状态，口粮可能会生效。这是为了通过限制分配减少对休闲产业的供应，并保护医疗保健等基本公共服务。该机构的代表克劳斯·穆勒在推特上表示：“俄罗斯天然气输送量的下降对于企业和消费者来说都可能面临非常严重的情况。我们尽可能多地储存和储存天然气，我们必须避免这种情况。”   俄罗斯和乌克兰战争后，德国在3月份启动了三步应对计划中的第一个，以应对天然气供需问题。德国经济部长罗伯特·哈贝克16日在接受德国公共广播公司“ARD”采访时表示：我们还在考虑减少天然气需求的各种选择。它正在考虑实施一个拍卖平台，允许房主减少冬季供暖，并允许企业出售他们的消费权。“这是一个重要而紧张的局势，是西方国家与俄罗斯的实力对比。本月15日，俄罗斯国有能源公司俄罗斯天然气工业股份公司宣布，将通过与德国相连、目前正在运营的天然气管道“Nord Stream 1”向德国供应天然气，将比往常减少60%。   俄罗斯天然气工业股份公司辩称，由于对俄罗斯的经济制裁，天然气管道相关设备不是由一家加拿大公司提供的。这也与通过德国接收俄罗斯天然气供应的欧洲国家有关。影响。在欧洲购买俄罗斯天然气最多的德国能源公司 Uniper 供应的天然气比订购的少 60%，意大利能源公司 Eni 的供应量也只有俄罗斯 17 日要求的一半。   据《彭博社》报道，法国能源公司 ENGIE 和奥地利石油和天然气公司 OMV 也受到了打击。欧洲国家正在努力减少对俄罗斯天然气的依赖，但这并不容易。一种从美国进口液化天然气 (LNG) 的方法正在被推广作为替代方案，但坏消息仍在继续，例如美国主要的 LNG 出口设施德克萨斯州的终端因暂时因为火灾…… 专家表示，今年初冬最令人担忧。“这完全取决于欧洲国家如何分享可用的天然气。”   有一种观点认为，这也会影响到韩国。17日，世界最大的天然气出口国俄罗斯从上月底开始限制向对自己国家不友好的国家出口半导体制造所必需的“稀有气体”。惰性气体是包含氖、氩、氦等的惰性气体。据报道，用于制造洗衣机、汽车和手机等许多电子产品的三种气体在几个月内出现了致命的供应短缺，给半导体生产商带来了紧张局势。市场研究所 Techset 的高级研究员 Jonas Sundokuvist 表示：“三星的韩国将首先受到影响。” 

俄罗斯限制了对工业稀有气体至关重要的出口，这是短缺和价格上涨的先决条件   半导体行业简直无法呼吸。在长期与大流行供应问题作斗争后，芯片制造商正面临一个新的头痛问题，俄罗斯。侵略国是世界上最大的用于半导体生产的气体供应商之一，并已开始限制出口。据俄罗斯国家通讯社塔斯社报道，5月下旬限制向“敌对”国家出口惰性或“惰性”气体，包括氖气、氩气和氦气。这三种气体都用于制造许多消费产品中使用的小型电子芯片——从智能手机到洗衣机再到汽车——这些产品几个月来一直处于严重短缺状态。   这是普京针对俄罗斯对乌克兰实施一系列制裁的国家的又一次齐射。根据咨询公司贝恩公司的数据，战前，俄罗斯和乌克兰共占芯片行业供应的约 30% 的氖气。出口限制正值半导体行业及其客户摆脱最严重的供应危机之际。根据 LМС Аutоmоtіvе 的数据，去年，由于芯片短缺，汽车制造商的汽车产量减少了 1000 万辆，但预计今年下半年的交付量将有所改善。   氖气出口的限制“令人震惊”，但并不让芯片制造商感到意外。“八年前俄罗斯从乌克兰吞并克里米亚后，该行业正准备进一步中断该地区的供应。”   芯片厂商正在准备   氖在半导体生产中起着至关重要的作用——在称为光刻的过程中。气体控制激光器产生的光的波长，因为它在构成芯片的硅晶片上雕刻图案。   战前，俄罗斯从其钢铁厂提取原料氖作为副产品，然后将其运往乌克兰进行提纯。市场研究公司 Тесhсеt 的高级技术分析师乔纳斯·桑德奎斯特告诉 СNN Вuѕіnеѕѕ，这两个国家是苏联时代惰性气体的主要生产国，当时它们被用来建造军事和太空技术。然而，冲突已经对生产能力造成了永久性损害。乌克兰一些城市的激烈战斗，包括马里乌波尔和敖德萨——两个具有重要战略意义的港口城市——已经摧毁了工业基地，使得从该地区出口商品变得极其困难。但自 2014 年俄罗斯入侵克里米亚以来，半导体制造商一直在减少对该地区的依赖。   贝恩公司在北美和南美的制造合作伙伴彼得汉伯里告诉 СNN Вuѕіnеѕѕ，自 2 月入侵以来，芯片制造商已经加倍努力。汉伯里说，该行业对来自乌克兰和俄罗斯的氖气的依赖度“历史上非常高”——在 80% 到 90% 之间。但自 2014 年以来，芯片制造商已将这一比例降至不到三分之一。   价格在上涨   现在说俄罗斯的出口限制将如何影响半导体制造商还为时过早，然而，即使芯片制造商可以弥补该地区的供应损失，他们也可能为重要气体支付更多费用。很难追踪氖气和其他气体的价格，因为大多数都是根据私人长期合同进行交易的。但 Тесhсеt 估计，自今年早些时候入侵以来，氖气的合同价格已经上涨了五倍，并且在短期内将保持在高位。   韩国将首先感受到这个问题，因为它依赖进口贵重天然气，而且与美国、日本和欧洲不同，它缺乏可以增加产量的大型天然气公司。根据 Соuntеrроіnt Rеѕеаrсh 的数据，三星去年超越英特尔成为全球最大的半导体制造商。全球另一家主要芯片制造商美光科技对 СNN Вuѕіnеѕѕ 表示，它看到贵金属价格上涨，但“未来几个月有足够的供应”，预计短期内不会减产。   中国可以受益   时隔两年，各国都在争相提高芯片产能，这让它们暴露在全球供应链的不稳定之中。英特尔已提出帮助美国政府实施其计划，并于今年早些时候宣布将投资 200 亿美元建设两个新工厂。去年，三星还承诺在德克萨斯州建造一座价值 170 亿美元的工厂。   更多的芯片生产可能会导致对惰性气体的更高需求。由于俄罗斯威胁要限制其出口，中国可能是大赢家。自 2015 年以来，中国一直在投资自己的半导体产业，包括从其他工业产品中提取惰性气体所需的设备。中国现在是这些气体的净出口国，并表示自力更生。   Ѕundqvіѕt 补充说，全球对贵重气体的需求可能会集中在中国，而该行业将“为其产品争取到好价钱”。

每天新闻源中都会出现看似无穷无尽的基本项目短缺清单，但在从鸡蛋到肥料再到各种东西的短缺中，人们越来越意识到我们实际上可能正在耗尽一些如此基本的东西，以至于它可能会对我们技术社会的各个方面产生影响   氦气   氦在日常生活中几乎每一个方面的核心程度都不为过。氦的独特特性，例如它在绝对零以上几度的温度下保持液态，有助于它在无数工业过程中的使用。从泄漏检测和焊接到硅片生产和冷却使磁共振成像成为可能的超导磁体，氦已在技术中根深蒂固，其方式掩盖了其相对稀缺性。   但是氦是从哪里来的呢？正如我们将看到的那样，元素周期表上第二轻的元素并不容易获得，并且在提取和纯化它以供工业使用方面付出了相当大的努力。虽然在改进提取方法和发现新矿床方面取得了长足进步，但实际上，氦气是一种不可再生资源，没有替代品。因此，了解一两件事关于我们如何获得它是值得的。     腐烂的产物   尽管它是可见宇宙中第二丰富的元素，但氦在地球上却出奇地稀有。虽然它是在 1860 年代首次在太阳和其他恒星的光谱仪中发现的，但要获得足够的氦来研究并确定它是一种元素，还需要再等 30 年，那时通过溶解样品释放出具有相同光谱特征的气体酸中的铀矿石。   铀衰变系列。当 U-238 衰变为 Th-234（左上）时，它会释放出一个 α 粒子，即氦核。粒子迅速拾取两个电子，产生一个新的氦原子。   地球上氦的发现恰逢化学史上的一个恰当时机。1800 年代末和 1900 年代初，化学的焦点从涉及整个原子的反应扩展到亚原子领域，在构成原子的电子、质子和中子的水平上。放射性刚刚开始被探索，在氦被第一次分离出来的时候就已经知道α、β和γ射线的存在。因此，当卢瑟福和博伊德发现 α 射线实际上是由两个质子和两个中子组成的粒子，这与氦原子的原子核相同时，它立即提出了一种氦如何被困在铀矿石中的机制。   像所有重放射性元素一样，铀沿着特定的一系列元素衰变。铀系列始于同位素238 U，它是天然存在且相对丰富的铀同位素。238 U 的半衰期约为 40 亿年，当它衰变时，它会释放一个 α 粒子。一对质子和一对中子的损失将238 U 变成234 Th 或钍 234。释放出来的 α 粒子实际上是一个氦核，当它被几乎所有遇到的物质吸收时，它很容易吸收两个电子，从而产生一个氦原子。   这巧妙地解释了为什么氦在铀矿石样本中——随着时间的推移，铀衰变释放出被岩石吸收的阿尔法粒子，获得成为氦原子所需的电子。氦随着时间的推移积累，聚集在岩石的孔隙中，只有当岩石中的矿物质最终溶解时才会释放出来。同样的过程，尽管在地质规模上，是工业氦生产的关键。   气体中的气体   与大多数工业气体不同，氦气在大气中不存在任何显着浓度。任何在产生后没有以某种方式隔离的氦气都会进入大气层并迅速消失，迅速上升到高层大气并最终进入太空。因此，像我们对氧气、氮气、氩气和其他气体那样从空气中分离氦气是不切实际的。相反，我们需要在我们的脚下寻找大量的氦气库。   幸运的是，在地下储层中倾向于捕获天然气的相同地质条件也倾向于捕获氦气，因此天然气井是氦气的最大来源。从历史上看，美国一直是世界市场的主要氦气供应国，其中大部分来自俄克拉荷马州、堪萨斯州和德克萨斯州的天然气井。在这里，从地下出来的气体中含有高达 7% 的氦气，这对于有利可图的开采来说绰绰有余。   天然气是甲烷、氮气、二氧化碳和高级气态烷烃（如乙烷和丙烷）的混合物。如果混合了足够的氦——任何高于 0.4% 的东西都被认为是有利可图的——氦的提取和纯化是通过分馏进行的。氦气是所有元素中沸点最低的，这意味着可以通过降低温度和控制压力来隔离其他所有气体。   氦气生产的第一步是从天然气中清除任何 CO 2和硫化氢 。这是在胺处理器中完成的，其中化学单乙醇胺 (MEA) 被喷入反应容器内的气流中。MEA 将酸性化合物电离并使其溶于水，从而将它们从天然气中洗掉。洗涤后的气体通过分子筛如沸石和活性炭床进一步预处理，以除去水蒸气和任何较重的烃。   这些预处理步骤后剩下的主要是甲烷和氮气，还有一些氖气和氦气。气体通过热交换器冷却，然后通过膨胀阀进入挡板分馏塔。压力的突然下降使气体温度降低到足以使在 -161.5°C 沸腾的甲烷冷凝成液体并排到塔底。   剩余的气体，现在主要是氮气和氦气，通过一个冷凝器，进一步冷却气流。当混合物的温度低于 -195.8°C 时，氮气会凝结成液体。液氮与液态甲烷一起被输送到最初用于冷却进入的预处理工艺气体的热交换器。现在的气态氮和甲烷都是有价值的产品，通过管道输送到储罐。   剩余的工艺气体中大约有一半是氦气，其余的是污染甲烷和氮气的混合物，以及一点点氢气和氖气。这种混合物称为冷粗氦，现在必须经过进一步纯化才能达到工业使用所需的纯度水平。净化从另一个热交换器开始，该热交换器将粗氦混合物降至氮的沸点以下，以冷凝出剩余的氮和甲烷污染物。该步骤使粗氦达到约 90% 的纯度。   最终净化   为了除去氢气，引入氧气并在催化剂存在下加热混合物。氢气和氧气形成水，可以在工艺气流中通过变压吸附或 PSA 进行最终纯化之前将其从工艺气流中分离出来。变压吸附与氧气浓缩器中使用的过程相同，包括许多DIY 版本我们已将其视为对 COVID-19 的回应。PSA 利用称为分子筛的材料选择性吸附气体的能力。在氦气净化中，90% 纯度的气体被泵入装有分子筛（通常是沸石）的压力容器中。污染气体优先吸附到沸石中，使输出流几乎是纯氦。当第一根色谱柱被污染物饱和时，流量切换到之前已通过纯氦反吹再生的第二根色谱柱。气流在两根柱子之间来回切换，一根柱子净化氦气，另一根柱子再生。结果是纯度为 99.995% 的气态 A 级氦气。   这里描述的过程绝不是从天然气中提取氦气的唯一方法，但它确实代表了最常见的气体生产方法，主要是因为大部分预处理和初始纯化步骤已经用于处理天然气作为燃料并作为化学工业的原料。其他方法包括完全 PSA 工艺，它可以使用氦气浓度仅为 0.06% 的天然气，以及膜分离，它依赖于氦气可以比大得多的甲烷和氮气分子更容易穿透半透膜的事实。膜分离技术比传统的分馏更节能，因为它不需要相变和所需的能量。   但是我们用完了吗？   了解地球岩石圈中铀 238 的丰度及其半衰期后，就有可能估算出放射过程产生的氦量。结果证明并不多——每年只有大约 3,000 公吨。几乎所有这些都逃到了大气层和太空中。因此，与通常发现它的天然气一样，氦实际上是一种不可再生资源。   但这是否意味着我们快用完了？是的，就像任何其他有限资源一样，最终我们将提取所有可提取的资源。但这并不一定意味着我们已经找到了所有的氦气。勘探导致美国出现了新的矿床，在阿尔及利亚等地发现了大量氦气，阿尔及利亚在 2000 年代初成为世界第二大氦气生产国。卡塔尔在 2013 年也发现了巨大的氦气，将其提升至全球第二位。这些发现，连同最近在南非发现的氦气含量高达 12% 的天然气井，有望解决一些关于失去这种不可替代气体的担忧。   但归根结底，这些新发现只会将时间推后，并提前结束氦最终耗尽的不可避免的一天。如果商业规模的聚变成为现实，我们可能会休息一下，但在过去的 80 年里，这种突破“只有 20 年的时间”。

氦是宇宙中除氢之外最常见的元素，但尽管如此普遍，但在地球上却很难找到。部分问题在于它是不可再生的，因此除非它在采矿过程中被特别捕获，否则它的低密度意味着它只是简单地逃离了大气层。出于这个原因，Meow维护了一个用于实验室的氦气回收系统。   该系统的目的是为实验室中的其他项目提供制冷剂。液氦的温度约为 4 开尔文，可用于各种实验室测试，但使用起来非常昂贵。Meow的回收系统提供从这些测试中回收的气态氦，设备在封闭循环过程中将其转回极冷的液态氦。   像这样的轻质气体也可能特别难以处理，因为它们的小原子尺寸意味着与其他气体相比，它们可以很容易地从配件、管道和设备中逸出。因此，这台设备非常专业。

春末通常是婚礼和毕业典礼的黄金时间，但今年由于俄罗斯入侵乌克兰而加剧的全球氦气短缺迫使零售商警告派对策划者，充气气球有时可能会供不应求。虽然这可能会略微抑制季节性庆祝活动，但对于像哈佛的物理学家来说，近几个月来稀有气体的供应紧张实际上可能会导致研究停止。氦气短缺影响着世界各地的研究人员。在物理、工程、化学、生物学和医学研究中，只要需要寒冷环境进行实验（包括冷却大型磁体、MRI 机器或质谱仪，或在凝聚态物理研究中减慢原子速度）就会使用氦气和液氦。   使用液氦所做的工作已经产生了大约 16 项诺贝尔奖，这表明由于气体和液体的独特特性，它在这些领域已成为多么重要。   在哈佛，研究人员可能不得不关闭依赖氦气和液氦的昂贵技术设备。在某些情况下，这可能会对仪器造成不可挽回的损坏，并迫使一些科学家停止研究。一些连锁反应可能包括论文工作依赖于这些项目的学生的毕业延迟。   氦是宇宙中第二丰富的元素，但在地球上它相对稀有。它是铀衰变的结果，不能人工制造，是天然气提炼的副产品。只有少数几个国家生产它，美国和俄罗斯是顶级供应商。正因为如此，只需几次供应中断即可引发危机——天然气行业将当前的供应中断称为“氦短缺 4.0”，这是自 2006 年以来的第四次供应中断。   最近的短缺始于去年，并在冬末开始升温。它是由一系列世界事件引发的，包括大流行带来的全球供应链问题并因乌克兰战争而恶化，以及主要生产商计划和计划外的停产——例如美国 1 月中旬的泄漏德克萨斯州的氦储备经过四个月的计划关闭以及 10 月的火灾和 1 月的爆炸关闭了俄罗斯的一个主要设施。   在哈佛，短缺已经迫使一些严重依赖元素的研究人员做出痛苦的决定，以减缓项目的速度。物理学和应用物理学教授菲利普·金说，他不得不关闭实验室大约一半依赖低温仪器的研究活动。“我的研究生毕业可能会因为论文工作的放缓而推迟，”kim说。“博士后研究员的研究项目也放慢了速度，因为他们还需要等待才能进行实验。”   哈佛质谱中心的 Charles Vidoudez 开始因短缺而失眠。该中心的首席研究科学家 Vidoudez 使用它使该设施的四台质谱仪保持在运行所需的极低压力下。暂停将影响数十个依赖该中心使用机器进行一系列分析的实验室。Vidoudez 花费了无数个小时给他能找到的几乎所有供应商打电话或发电子邮件。“大多数人要么不回答，要么回答的人说，'我们目前不接受新客户，'”Vidoudez 说。   管理员正试图帮助研究人员提高使用液氦的效率并减少对它的依赖。Stubbs 和 FAS 科学部负责研究的助理院长 Sarah Lyn Elwell 正在共同主持一个委员会，该委员会专注于氦气的保护和分配，以管理他们度过危机的方式。该部门还有位于牛津街 38 号的氦回收设施，该设施于 2012 年上线。该设施从 FAS 内的 12 个参与实验室回收液态氦蒸发。然后，它对蒸发的氦气进行纯化和重新液化，并以较低的价格再次将其分配给实验室。   哈佛大学的氦液化器工程师马科斯汉金说，该设施也感受到了短缺的影响。由于蒸发捕获不是 100%，设施必须使用外部供应来弥补损失。他们的供应商分配了他们平时供应量的 60%。到 3 月底，这一比例变为 45%。目前，该设施已经能够为使用少量液氦的实验室提供正常水平，但它不得不为 Kim 和 Yacoby 等实验室定量供应。该设施正在与保护委员会以及大学的战略采购办公室进行协调，以尝试寻找氦气并开发替代解决方案。   核磁共振 (NMR) 核心设施为哈佛社区的 30 多个研究小组和 200 多名活跃的研究人员提供支持，是恢复设施能够保持正常水平运行的实验室之一，因为它只使用了大约每年 1,500 升。仪器中心的电子技术员 Anthony Lowe 负责 NMR 实验室的液氦和氦气供应。他特别感谢这些努力，因为液氦使光谱仪内的大磁铁保持在零华氏度以下约 450 度。没有它，他们将不得不降低 NMR 磁体。然而，这些机器的成本从 50 万美元到 200 万美元不等，并不意味着要关闭，而且 NMR 磁体可能会永久损坏。“这是一个冒险的提议，Lowe 说。   Lowe 希望短缺问题能尽快好转，但和许多人一样，他总体上担心氦气的未来。“这是一种有限的资源，”Lowe 说。“在我们的一生中，它可能不会用完，但对人类来说，它的供应是有限的。我们不能再制造了。”

专家称，限制俄罗斯惰性气体出口将增加供应链压力   俄罗斯政府对半导体制造所用气体出口的限制可能会加剧全球市场芯片的短缺，并导致价格进一步上涨。这些限制措施可能会影响中国国内的半导体生产。中国是世界上最大的芯片消费国，严重依赖进口。   中国在 2021 年进口了价值约 3000 亿美元的芯片，这些芯片用于制造汽车、智能手机、电脑、电视和其他设备。严重依赖进口芯片的行业可能会受到更大的影响，而对于使用中芯国际等中国公司制造的芯片的行业，影响将不太明显。   上周，俄罗斯对惰性气体实施了限制，以回应欧盟对向该国出口技术的制裁。   诸如氖、氩、氙等惰性气体或惰性气体在半导体制造过程中至关重要。半导体用于制造小工具、汽车和家用电器所需的微电路。自 Covid 大流行开始以来，全球半导体短缺，乌克兰的冲突加剧了这一问题。在供应全球约 50% 半导体氖的乌克兰供应商 Ingas 和 Cryoin 停产后，氖和氙的世界价格上涨。据报道，俄罗斯供应了全球多达 30% 的氖气消费量。中国和日本也是惰性气体的主要生产国，但它们的供应主要在国内消费。