Жидкий метан

Жидкий метан — это бесцветная криогенная жидкость без запаха, представляющая собой метан (CH₄) в жидком агрегатном состоянии. Относится к классу сжиженных природных газов. Ключевые характеристики: температура кипения при атмосферном давлении составляет −161,5 °C, температура замерзания — −182,5 °C. Плотность жидкого метана при температуре кипения примерно в 2,4 раза меньше плотности воды (около 422 кг/м³). Является важным энергоносителем (топливом) и хладагентом, а также перспективным ракетным топливом.

История

Метан был открыт и идентифицирован как компонент природного газа в конце XVIII века (Алессандро Вольта, 1776 год). Однако получение метана в жидком виде стало возможным лишь с развитием криогенной техники в конце XIX — начале XX века. Первые промышленные установки по сжижению природного газа (основу которого составляет метан) были построены в 1910-х годах в США. Крупномасштабное производство и транспортировка жидкого метана (как основного компонента сжиженного природного газа, СПГ) начались во второй половине XX века с развитием танкерного флота и терминалов регазификации. В России первый завод по сжижению природного газа («Сахалин-2») был введён в эксплуатацию в 2009 году. Использование жидкого метана в качестве ракетного топлива активно исследуется с 2000-х годов.

Свойства

Физические свойства

• Молекулярная масса: 16,04 г/моль.
• Температура кипения: −161,5 °C (112,6 K) при 101,325 кПа.
• Температура плавления: −182,5 °C (90,7 K).
• Плотность жидкости: около 422 кг/м³ при −162 °C.
• Критическая температура: −82,3 °C (190,9 K).
• Критическое давление: 4,59 МПа.
• Теплота парообразования: 510 кДж/кг.
• Теплота сгорания (низшая): 50,0 МДж/кг для жидкого метана (для газообразного — около 55,5 МДж/кг).
• Удельная теплоёмкость (жидкости): около 3,5 кДж/(кг·К) при −160 °C.
• Вязкость: мала, близка к вязкости воды при комнатной температуре.

Химические свойства

В жидком виде метан химически инертен при отсутствии катализаторов и окислителей. При испарении образует с воздухом взрывоопасные смеси (концентрационные пределы взрываемости 4,4–17 % объёмных). При контакте с сильными окислителями (кислород, фтор) способен к самовоспламенению. Температура самовоспламенения газообразного метана: 537 °C.

Криогенные опасности

Жидкий метан вызывает криогенные ожоги при контакте с кожей. Быстрое испарение вылитой жидкости может привести к вытеснению кислорода из зоны разлива с риском удушья.

Производство

Жидкий метан получают путём сжижения природного газа (СПГ-процесс), который состоит преимущественно из метана (80–99 %). Основные этапы:

1. Очистка: удаление сероводорода, ртути, воды, диоксида углерода и других примесей, которые могут замерзать или корродировать оборудование при низких температурах.
2. Сжижение: охлаждение газа до −162 °C в каскадных или смешанных хладагентных циклах. Обычно используются азотные или пропановые циклы, либо циклы на смесях хладагентов (метан, этан, пропан, азот).
3. Хранение: в криогенных резервуарах с вакуумно-порошковой изоляцией при температуре −162 °C и давлении близком к атмосферному (небольшое избыточное давление 10–30 кПа для предотвращения подсоса воздуха).
4. Транспортировка: в специальных танк-контейнерах, железнодорожных цистернах или криогенных танкерах (газовозах) с испарительной системой охлаждения.

Коэффициент сжижения: 1 м³ жидкого метана соответствует примерно 600 м³ газообразного при нормальных условиях.

Применение

Энергетика и транспорт

• Сжиженный природный газ (СПГ): основное применение жидкого метана. Используется как топливо для газовых электростанций, промышленных печей, котельных. Транспортируется танкерами на большие расстояния (от 4000 до 12000 км) в сжиженном виде и регазифицируется на приёмных терминалах. Крупнейшие поставщики: Катар, Австралия, Россия, США. В России развиваются проекты «Ямал СПГ» и «Арктик СПГ 2».
• Моторное топливо: используется на газомоторных автомобилях (редко, чаще в виде компримированного природного газа), но более перспективно для большегрузного и речного/морского транспорта. Для использования в двигателях внутреннего сгорания жидкий метан испаряют до газообразного состояния, так как прямой впрыск жидкости требует специальной конструкции двигателя.
• Авиационное топливо: ведутся исследования по применению жидкого метана как криогенного топлива для сверхзвуковых и водородных самолётов.

Ракетное топливо

Жидкий метан рассматривается как перспективное ракетное топливо для многоразовых ракет-носителей. Основные преимущества:

• Высокий удельный импульс (до 380 с в вакууме для связки метан/кислород).
• Низкое коксование и низкая температура горения по сравнению с керосином (меньше образование нагара).
• Высокая плотность (в 2,4 раза плотнее сжиженного водорода, что уменьшает размеры баков).
• Возможность хранения при температуре −162 °C (близкой к температуре жидкого кислорода), что упрощает конструкцию двигателя.

Примеры ракетных двигателей на метане:

• Raptor (США, SpaceX): используется на ракете Starship.
• BE-4 (США, Blue Origin): используется на ракете New Glenn.
• РД-0162 (Россия, НПО «Энергомаш»): разрабатывается для перспективных носителей «Союз-СПГ» и «Амур-СПГ».
• YF-215 (Китай, CASC): для ракеты «Чанчжэн-9».

Хладагент и технология

• Используется в низкотемпературных лабораторных установках (криостаты) для охлаждения до −161 °C.
• Применяется в процессах разделения газов (например, для осаждения CO₂ из природного газа).
• В научных целях — в детекторах нейтрино и экспериментах по физике элементарных частиц (например, в жидком метане ищут тёмную материю).

Возможное применение в термоядерной энергетике

В перспективе жидкий метан можно использовать как источник углерода для дейтерий-тритиевых реакторов (для получения трития из изотопов лития), хотя это направление находится на стадии теоретических проработок.

Хранение и безопасность

Хранение

Жидкий метан хранят в криогенных резервуарах:

• Сферические резервуары: для больших объёмов (до 200 000 м³) — на заводах СПГ.
• Цилиндрические резервуары: для средних объёмов (до 10 000 м³) — часто встроены в танкеры.
• Криогенные контейнеры: для малых объёмов (до 100 м³) — для автотранспорта и лабораторий.
• Теплоизоляция: вакуумно-порошковая (перлит) или многослойная вакуумная (МКВИ).
• Автоматика: поддержание давления (обычно 0,1–0,5 МПа) с помощью испарителя или сброса избыточного паров (капиллярная система сброса).

Безопасность

• Пожаро- и взрывоопасность: при утечке образуется облако тяжёлого газа (метан легче воздуха, но холодный газ) — стелется по земле, контакт с источником зажигания приводит к взрыву.
• Криогенные ожоги: при контакте с жидкостью.
• Риск удушья: в замкнутых пространствах испарённый метан вытесняет кислород.
• Системы обнаружения утечек: термопарные датчики, каталитические сенсоры, акустические детекторы.
• Нормы безопасности: в РФ регламентируются ГОСТ Р 53693-2009 (СПГ) и правилами ПБ 12-609-03.

Экономика

Мировое производство жидкого метана в составе СПГ в 2023 году превысило 400 млн тонн в год. Основные производители: Катар (77 млн т/год), Австралия (72 млн), США (81 млн), Россия (33 млн, в основном с проекта «Ямал СПГ» — 20 млн т/год). Цены на СПГ на мировом рынке: от $200 до $800 за тысячу кубометров (в газовом эквиваленте) в зависимости от региона и контрактов. Рынок СПГ активно растет: на 2024 год доля СПГ в мировой торговле газом составляет около 35%.

Интересные факты

• Удельный импульс связки метан/кислород (380–385 с в вакууме) сравним с удельными импульсами жидкого водорода (455 с), но значительно превосходит керосин (350–365 с). При этом метан дешевле водорода и имеет меньшую плотность, чем керосин.
• В жидком метане вода мгновенно замерзает, превращаясь в лед, который затем может сублимировать (испаряться) в вакууме.
• В 2023 году на ракете SpaceX Starship был впервые проведён успешный запуск в космос с использованием метанового двигателя Raptor.
• Плотность жидкого метана практически постоянна во всём диапазоне хранимых температур (от −162 до −100 °C), что упрощает контроль расхода топлива.
• Пожары, вызванные утечкой жидкого метана, тушат только сухим порошком или азотом — вода замерзает и усугубляет разлив.

Источники

• ГОСТ Р 53693-2009 «Газ природный сжиженный. Технические условия».
• Правила безопасности ПБ 12-609-03 «Правила безопасности объектов, использующих сжиженные углеводородные газы».
• Английская версия статьи «Liquid methane» на сайте Wikipedia.
• Отчёты Международного газового союза (IGU) о мировом производстве СПГ (2023–2024).
• Материалы НПО «Энергомаш» (Россия) о двигателях РД-0162.
• Технические спецификации компании SpaceX на двигатель Raptor.
• Научные публикации в журнале «Криогенная техника и кондиционирование» (2018–2022).