Гелий 3 что это: Добыча гелия-3 на Луне обеспечит землян энергией на 5 тыс лет — ученый

Гелий-3 на службе человеку

Этот изотоп планируется добывать на Луне для нужд термоядерной энергетики. Однако это дело далекого будущего. Тем не менее гелий-3 чрезвычайно востребован уже сегодня — в частности, в медицине.

Владимир Тесленко

Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается всего лишь в 35 000 т. Его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) составляет несколько килограммов в год. В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение сотен миллионов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04%) значительно выше, чем в земной атмосфере.

Амбициозные планы добычи гелия-3 на Луне, на полном серьезе рассматриваемые не только космическими лидерами (Россия и США), но и новичками (Китай и Индия), связаны с надеждами, которые возлагают на этот изотоп энергетики. Ядерная реакция 3Не+D→4Не+p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T+D→4Не+n.

К этим преимуществам относится в десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведенную радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора. Кроме того, один из продуктов реакции — протоны — в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии. При этом и гелий-3, и дейтерий неактивны, их хранение не требует особых мер предосторожности, а при аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю. Есть у гелий-дейтериевой реакции и серьезный недостаток — значительно более высокий температурный порог (для начала реакции требуется температура порядка миллиарда градусов).

Хотя все это дело будущего, гелий-3 чрезвычайно востребован и сейчас. Правда, не для энергетики, а для ядерной физики, криогенной промышленности и медицины.

Магнитно-резонансная томография

С момента своего появления в медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) стала одним из основных диагностических методов, позволяющих без всякого вреда заглянуть «внутрь» различных органов.

Примерно 70% массы человеческого тела приходится на водород, ядро которого, протон, обладает определенным спином и связанным с ним магнитным моментом. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, спин и магнитный момент ориентируются либо вдоль поля, либо навстречу, причем энергия протона в первом случае будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему строго определенную энергию, равную разнице между этими энергетическими уровнями, — например, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.

Простейшим и самым прямым способом намагнитить гелий-3 является его охлаждение в сильном магнитном поле. Однако эффективность этого метода весьма низка, к тому же он требует сильных магнитных полей и низких температур. Поэтому на практике применяют метод оптической накачки – передачи атомам гелия спина от поляризованных фотонов накачки. В случае с гелием-3 это происходит в два этапа – оптическая накачка в метастабильном состоянии и спиновый обмен между атомами гелия в основном и метастабильном состоянии. Технически это реализуется путем облучения лазерным излучением с круговой поляризацией ячейки с гелием-3, переведенного в метастабильное состояние слабым высокочастотным электрическим разрядом, в присутствии слабого магнитного поля. Поляризованный гелий можно хранить в сосуде с внутренним покрытием из цезия при давлении 10 атмосфер в течение порядка 100 часов.

Именно так и устроен МР-томограф, только обнаруживает он не отдельные протоны. Если поместить образец, содержащий большое количество протонов в мощное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным вдоль и навстречу полю, окажутся примерно равными. Если начать облучать этот образец электромагнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и спином) «вдоль поля» перевернутся, заняв положение «навстречу полю». При этом происходит резонансное поглощение энергии, а во время процесса возвращения к исходному состоянию, называемому релаксацией, — переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление и называется ядерным магнитным резонансом, ЯМР. Средняя поляризация вещества, от которой зависит полезный сигнал при ЯМР, прямо пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля. Чтобы получить сигнал, который можно обнаружить и отделить от шумов, требуется сверхпроводящий магнит — только ему под силу создать магнитное поле с индукцией порядка 1−3 Тл.

Магнитный газ

МР-томограф «видит» скопления протонов, поэтому отлично подходит для изучения и диагностики мягких тканей и органов, содержащих большие количества водорода (в основном в виде воды), а также дает возможность различать магнитные свойства молекул. Таким способом можно, скажем, отличить артериальную кровь, содержащую гемоглобин (основной переносчик кислорода в крови), от венозной, содержащей парамагнитный дезоксигемоглобин, — именно на этом основана фМРТ (функциональная МРТ), позволяющая отслеживать активность нейронов головного мозга.

Но, увы, такая замечательная методика, как МРТ, совершенно не приспособлена для изучения заполненных воздухом легких (даже если наполнить их водородом, сигнал от газообразной среды с низкой плотностью будет слишком слаб на фоне шумов). Да и мягкие ткани легких не слишком хорошо видны с помощью МРТ, поскольку они «пористые» и содержат мало водорода.

Можно ли обойти это ограничение? Можно, если использовать «намагниченный» газ — в этом случае средняя поляризация будет определяться не внешним полем, потому что все (или почти все) магнитные моменты будут ориентированы в одном направлении. И это вовсе не фантастика: в 1966 году французский физик Альфред Кастлер получил Нобелевскую премию с формулировкой «За открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах». Он занимался вопросами оптической поляризации спиновых систем — то есть как раз «намагничиванием» газов (в частности, гелия-3) с помощью оптической накачки при резонансном поглощении фотонов с круговой поляризацией.

Дышите глубже

Пионерами использования поляризованных газов в медицине стала группа исследователей из Принстона и Нью-йоркского университета в Стони-Брук. В 1994 году ученые опубликовали в журнале Nature статью, в которой впервые было продемонстрировано изображение легких мыши, полученное с помощью МРТ.

Правда, МРТ не совсем стандартной — методика была основана на отклике не ядер водорода (протонов), а ядер ксенона-129. К тому же газ был не совсем обычным, а гиперполяризованным, то есть заранее «намагниченным». Так родился новый метод диагностики, который вскоре начали применять и в человеческой медицине.

Гиперполяризованный газ (обычно в смеси с кислородом) попадает в самые дальние закоулки легких, что дает возможность получить МРТ-снимок с разрешением на порядок выше лучших рентгеновских снимков. Можно даже построить детальную карту парциального давления кислорода в каждом участке легких и потом сделать заключение о качестве кровяного потока и диффузии кислорода в капиллярах. Эта методика позволяет изучить характер вентиляции легких у астматиков и контролировать процесс дыхания критических пациентов на уровне альвеол.

Достоинства МРТ с использованием гиперполяризованных газов этим не ограничиваются. Поскольку газ гиперполяризован, уровень полезного сигнала оказывается значительно выше (примерно в 10000 раз). Это означает, что отпадает необходимость в сверхсильных магнитных полях, и приводит к конструкции так называемых слабопольных МР-томографов — они дешевле, мобильнее и гораздо просторнее. В таких установках используются электромагниты, создающие поле порядка 0,005 Тл, что в сотни раз слабее стандартных МР-томографов.

Маленькое препятствие

Хотя первые эксперименты в этой области проводились с гиперполяризованным ксеноном-129, вскоре его заменил гелий-3. Он безвреден, позволяет получать более четкие изображения, чем ксенон-129, имеет в три раза больший магнитный момент, что обусловливает более сильный сигнал в ЯМР. Кроме того, обогащение ксенона-129 из-за близости массы с другими изотопами ксенона — дорогой процесс, да и достижимая поляризация газа существенно ниже, чем у гелия-3. К тому же ксенон-129 обладает седативным эффектом.

Но если слабопольные томографы просты и дешевы, почему же метод МРТ с гиперполяризованным гелием не используется сейчас в каждой поликлинике? Есть одно препятствие. Но зато какое!

Наследие холодной войны

Единственный способ получения гелия-3 — распад трития. Большая часть запасов 3He обязана своим происхождением распаду трития, произведенного во время ядерной гонки вооружений в период холодной войны. В США к 2003 году было накоплено примерно 260 000 л «сырого» (неочищенного) гелия-3, а к 2010 году осталось только 12000 л незадействованного газа. В связи с возрастанием спроса на этот дефицитный газ в 2007 году даже было восстановлено производство ограниченных количеств трития, и до 2015 года планируется дополнительно получать по 8000 л гелия-3 ежегодно. При этом годовой спрос на него уже сейчас составляет не менее 40 000 л (из них только 5% используется в медицине). В апреле 2010 года американский Комитет по науке и технологии США сделал вывод, что нехватка гелия-3 приведет к реальным негативным последствиям для многих областей. Даже ученые, работающие в ядерной отрасли США, испытывают трудности с приобретением гелия-3 из запасов государства.

Еще одна отрасль, которая не может обойтись без гелия-3 – это криогенная промышленность. Для достижения сверхнизких температур применяется т.н. рефрижератор растворения, который использует эффект растворения гелия-3 в гелии-4. При температуре ниже 0.87 К смесь разделяется на две фазы – богатую гелием-3 и гелием-4. Переход между этими фазами требует энергии, и это дает возможность охлаждения до очень низких температур — до 0,02 К. Простейшее такое устройство имеет достаточный запас гелия-3, который постепенно перемещается через границу раздела фаз в фазу, богатую гелием-4 с поглощением энергии. Когда запас гелия-3 закончится, устройство не сможет работать далее – оно «одноразовое».
Именно такой способ охлаждения, в частности, использовался в орбитальной обсерватории Planck Европейского космического агентства. В задачу «Планка» входила регистрация анизотропии реликтового излучения (с температурой около 2,7 К) с высоким разрешением с помощью 48 болометрических детекторов HFI (High Frequency Instrument), охлаждаемых до 0,1 К. До того, как запас гелия-3 в системе охлаждения был исчерпан, «Планк» успел сделать 5 снимков неба в микроволновом диапазоне.

Аукционная цена гелия-3 колеблется в районе $2000 за литр, причем никаких тенденций к снижению не наблюдается. Дефицит этого газа обусловлен тем, что основная часть гелия-3 используется для изготовления нейтронных детекторов, которые применяются в устройствах для обнаружения ядерных материалов. Такие детекторы регистрируют нейтроны по реакции (n, p) — захвату нейтрона и испусканию протона. А чтобы засечь попытки завоза ядерных материалов, таких детекторов требуется очень много — сотни тысяч штук. Именно по этой причине гелий-3 стал фантастически дорог и малодоступен для массовой медицины.

Впрочем, надежды есть. Правда, возлагаются они не на лунный гелий-3 (его добыча остается отдаленной перспективой), а на тритий, образующийся в тяжеловодных реакторах типа CANDU, которые эксплуатируются в Канаде, Аргентине, Румынии, Китае и Южной Корее.

3 | это… Что такое Гелий-3?

У этого термина существуют и другие значения, см. Гелий (значения).

Гелий-3 — самый лёгкий из стабильных изотопов гелия.

Состав и строение

Ядро гелия-3(3) (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от гелия-4, имеющего в составе по два протона и нейтрона. Природная изотопная распространённость гелия-3 составляет 0,000137 % (в атмосфере Земли; в других резервуарах она может очень сильно отличаться в результате природного фракционирования и т. п.)^[2]. Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в 35 000 тонн. Оба изотопа гелия постоянно улетучиваются из атмосферы в космос, однако убыль гелия-4 на Земле восполняется за счёт альфа-распада урана, тория и их дочерних нуклидов (альфа-частица — это ядро гелия-4). В отличие от более тяжёлого изотопа, гелий-3 не появляется в процессах радиоактивного распада (за исключением распада космогенного трития). Бо́льшая часть гелия-3 на Земле сохранилась со времён её образования. Он растворён в мантии и постепенно поступает в атмосферу; считается, что его изотопная распространённость в мантии составляет 200—300 частей на миллион частей гелия-4, то есть на 2 порядка больше, чем в атмосфере. Однако его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) оценивается всего в несколько килограмм в год. Некоторая часть гелия-3 возникает при распаде трития, в реакциях скалывания на литии (под действием альфа-частиц и космических лучей), а также поступает из солнечного ветра. На Солнце и в атмосферах планет-гигантов первичного гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли. В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04 %) значительно выше, чем в земной атмосфере.

Открытие

Существование гелия-3 было предположено австралийским ученым Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в 1934. Окончательно открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в 1939.

Физические свойства

Атомная масса гелия-3 равна 3,016 (у гелия-4 она равна 4,0026, ввиду чего их физические свойства весьма отличаются). Гелий-3 кипит при 3,19 К (гелий-4 — при 4,23 К), его критическая точка равна 3,35 К (у гелия-4 — 5,19 К). Плотность жидкого гелия-3 при температуре кипения и нормальном давлении равна 59 г/л, тогда как у гелия-4 она равна 124,73 г/л, в 2 раза больше. Удельная теплота испарения равна 26 Дж/моль (у гелия-4 — 82,9 Дж/моль).

Жидкий гелий-3

См. также: Сверхтекучесть#Сверхтекучесть в жидком гелии-3

Квантовая жидкость, существенно отличающаяся по свойствам от жидкого гелия-4. Жидкий гелий-3 удалось получить только в 1948 году. В 1972 году в жидком гелии-3 был обнаружен фазовый переход в сверхтекучее состояние при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм. Ранее считалось, что сверхтекучесть, как и сверхпроводимость — явления, характерные для бозе-конденсата, то есть кооперативные явления в среде с целочисленным спином объектов. За открытие сверхтекучести гелия-3 в 1996 г. была присуждена Нобелевская премия по физике Дугласу Ошерову, Роберту Ричардсону и Дэвиду Ли. В 2003 году Нобелевской премией по физике отмечены Алексей Алексеевич Абрикосов, Виталий Лазаревич Гинзбург и Энтони Леггет, в том числе и за создание теории сверхтекучести жидкого гелия-3.^[3]

Использование

Счётчики нейтронов

Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В них происходит реакция

n + ³He → ³H + ¹H + 0,764 МэВ.

Заряженные продукты реакции — тритон и протон — регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера-Мюллера.

Получение сверхнизких температур

Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур.

Медицина

Поляризованный гелий-3 (он может долго храниться) недавно начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения лёгких с помощью ядерного магнитного резонанса.

Стоимость

Средняя цена гелия-3 в 2009 году составила $930 за литр^[4].

Гелий-3 как ядерное топливо

Реакция ³Не + D → ⁴Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → ⁴Не + n. К этим преимуществам относятся:

1. В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора;
2. Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе;
3. Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности;
4. При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю^{[источник не указан 190 дней]}.

К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в миллиард градусов, чтобы она могла начаться^{[источник не указан 1175 дней]}.

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников, а создаётся искусственно, при распаде трития. Последний производился для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах.

Планы добычи гелия-3 на Луне

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце.^{[источник не указан 554 дня]} На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год.

Другое дело — Луна, у которой нет атмосферы. В результате, этого ценного вещества там находится до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн^[5]). При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти^[6] (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет ~1 г на 100 т. Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать не менее 100 млн тонн грунта.

В фантастике

• В игре Mass Effect человечество использовало гелий-3 как основное топливо.
• В игре EVE Online раса Амарр добывает гелий-3 из космического льда и использует его как топливо для своих звездных баз, а также для прыжковых двигателей.
• В аниме Planetes люди добывают гелий-3 на Луне и будут использовать его в качестве топлива на корабле «Фон Браун», который отправится к Юпитеру.
• В аниме Moonlight Mile люди строят станцию на Луне для добычи гелия-3.
• В фильме Луна 2112 ведется промышленная добыча гелия-3 на Луне, для производства энергии на Земле.
• В фильме Железное небо астронавты США прилетели на Луну для разведки количества Гелия-3.

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729: 337—676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
2. ↑ ^{1 2 3 4} G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
3. ↑ Сверхтекучий ³He: ранняя история глазами теоретика — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
4. ↑ Survey of Critical Use of 3He for Cryogenic Purposes — Northwestern University
5. ↑ 3D News Колонизация Солнечной системы отменяется (4 марта 2007). Проверено 26 мая 2007.
6. ↑ http://www.ria.ru/science/20120725/709192459.html // РИА Новости

Литература

• E. R. Dobbs, Helium Three. — Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6

ExplainingTheFuture.com : Энергия гелия-3

Вы находитесь в: Технологии будущего : Генерация энергии гелия-3

Гелий-3 Энергогенерация

Гелий-3 (He3) представляет собой газ, который потенциально может быть использован в качестве топлива в будущих термоядерных электростанциях. На Земле очень мало гелия-3. Однако считается, что на Луне есть значительные запасы. Несколько правительств впоследствии заявили о своем намерении отправиться на Луну для добычи гелия-3 в качестве топлива. Такие планы могут быть реализованы в ближайшие два-три десятилетия и спровоцировать новую космическую гонку.

В дополнение к приведенной ниже информации вы также можете узнать больше об этой теме в моем видео Mining the Moon или в моем интервью BBC здесь. В этой статье за ​​июнь 2014 года для The Diplomat есть хорошая статья Фабрицио Боззато, которая, в свою очередь, основана на его обширной и превосходной статье здесь. Здесь также есть очень хорошая недавняя статья.

Вы также можете проверить мою более широкую страницу о ресурсах из космоса.

Гелий-3 и ядерный синтез

Чтобы обеспечить небольшую предысторию — и не углубляясь в науку — все атомные электростанции используют ядерную реакцию для производства тепла. Это используется для превращения воды в пар, который затем приводит в действие турбину для производства электроэнергии. Нынешние атомные электростанции имеют ядерных реакторов деления , в которых ядра урана расщеплены. При этом высвобождается энергия, а также радиоактивность и отработавшее ядерное топливо, которое перерабатывается в уран, плутоний и радиоактивные отходы, которые должны безопасно храниться фактически в течение неопределенного времени. Обзор этого ядерного топливного цикла можно найти здесь.

Более 40 лет ученые работали над созданием ядерной энергии из ядерного синтеза , а не ядерного деления. В современных термоядерных реакторах изотопы водорода тритий и дейтерий используются в качестве топлива, при этом атомная энергия высвобождается, когда их ядра сливаются с образованием гелия и нейтрона. Ядерный синтез эффективно использует тот же источник энергии, который питает Солнце и другие звезды, и не производит радиоактивности и ядерных отходов, которые являются побочным продуктом современного производства энергии ядерного деления. Однако так называемые «быстрые» нейтроны, высвобождаемые термоядерными реакторами, работающими на тритии и дейтерии, приводят к значительным потерям энергии, и их чрезвычайно трудно сдержать. Одним из возможных решений может быть использование гелия-3 и дейтерия в качестве топлива в «анейтронных» (энергия без нейтронов) термоядерных реакторах. Связанная здесь ядерная реакция, когда гелий-3 и дейтерий сливаются, создает обычный гелий и протон, который тратит меньше энергии и его легче удерживать. Таким образом, термоядерные реакторы, использующие гелий-3, могут обеспечить высокоэффективную форму ядерной энергетики практически без отходов и без излучения. Короткую настенную диаграмму, объясняющую это более подробно, можно найти здесь. Вышеупомянутые ядерные реакции деления и синтеза также проиллюстрированы в анимации в моем видео Mining the Moon.

Добыча гелия-3 на Луне

Одна из многих проблем, связанных с использованием гелия-3 для получения энергии путем ядерного синтеза, заключается в том, что, по крайней мере, на Земле гелий-3 действительно очень и очень редок. Гелий-3 производится как побочный продукт технического обслуживания ядерного оружия, что может составить около 15 кг в год. Однако гелий-3 излучается Солнцем в составе его солнечных ветров. Наша атмосфера предотвращает попадание гелия-3 на Землю. Однако, поскольку у него нет атмосферы, ничто не препятствует попаданию гелия-3 на поверхность Луны и его поглощению лунным грунтом. В результате было подсчитано, что на поверхности Луны до глубины нескольких метров находится около 1 100 000 метрических тонн гелия-3. Этот гелий-3 потенциально может быть извлечен путем нагревания лунной пыли примерно до 600 градусов по Цельсию, прежде чем доставлять его обратно на Землю для топлива нового поколения термоядерных электростанций.

Как сообщается в документе Artemis Project, около 25 тонн гелия-3 — или полностью загруженного грузового отсека космического корабля — могли бы обеспечивать Соединенные Штаты в течение года. Это означает, что гелий-3 имеет потенциальную экономическую ценность порядка 3 миллиардов долларов за тонну, что делает его единственной экономически целесообразной добычей с Луны, учитывая текущие и, вероятно, ближайшие технологии и возможности космических путешествий.

В связи с вышесказанным вряд ли стоит удивляться серьезному интересу к лунному гелию-3. Сообщалось, что в 2006 году Николай Севастьянов, глава российской космической корпорации «Энергия», заявил, что Россия планирует добывать лунный гелий-3 с созданием постоянной лунной базы к 2015 году и началом промышленного производства гелия-3 к 2015 году. 2020. Этого явно не будет! Американские планы начала нулевых «создать постоянную базу на одном из полюсов Луны к 2024 году» с гелием-3, названным одной из причин этой миссии, также, к сожалению, скорее всего, ни к чему не приведут.

Как уже отмечалось выше, Китайская программа исследования Луны развивается быстрыми темпами, и ее возглавляет ученый, твердо убежденный в потенциальной добыче гелия-3 на Луне. В декабре 2013 года Китаю удалось посадить роботизированный посадочный модуль на Луну, тем самым успешно завершив этап 3 своей программы исследования Луны. К концу 2017 года пятый и последний этап текущей программы предполагает отправку на Луну роботизированного корабля, который вернет лунные камни на Землю. Если все пойдет хорошо, в 2020-х годах может последовать пилотируемая программа, что заложит потенциальную основу для добычи Китаем гелия-3 на Луне в 2030-х или позже. . .

Цветок во тьме?

Тема добычи гелия-3 на Луне в качестве топлива для будущих экологически чистых и безопасных атомных электростанций является увлекательной и вызывает много вопросов. Некоторые из этих вопросов являются сугубо техническими и связаны с осуществимостью задействованной ядерной физики. Другие вопросы касаются немаловажных практических аспектов, связанных с полетом на Луну, добычей и перегревом больших количеств лунной породы (Space.com сообщил о предположении, что примерно один миллион тонн лунного грунта необходимо добывать и перерабатывать на каждые 70 тонн гелия-3), а затем вернуть драгоценный груз на Землю. Однако гораздо более интересные вопросы, возможно, связаны с тем, почему эта тема привлекает так мало внимания средств массовой информации и общественности.

Как отмечалось выше, несколько крупнейших правительств на планете неоднократно заявляли о том, что они либо активно рассматривают, либо хотели бы отправиться на Луну для добычи гелия-3. Независимо от того, будет ли наука работать на самом деле, это, безусловно, важная новость. Учитывая, что публичные дебаты о строительстве будущих атомных электростанций и даже ветряных электростанций в настоящее время бушуют с большой силой и широко освещаются в СМИ, почему гелий-3 электростанции как часть потенциальной будущей энергетической стратегии редко, если вообще упоминаются, является исключительным. трудно понять.

Никто не пытается скрыть потенциал будущего лунного производства электроэнергии на гелии-3. Однако, подобно розе в темной комнате, существует потенциальная опасность того, что что-то прекрасное не получит нужного света, если больше внимания не начнет томиться на том, что может оказаться очень большой частью решения проблемы. Пик нефти и истощение других ресурсов ископаемого топлива, не говоря уже об изменении климата.

Теперь вы также можете прочитать и просмотреть мой более широкий и свежий контент о ресурсах из космоса.

Возврат к технологиям будущего.

Гелий-3 с поверхности Луны для ядерного синтеза?

С 1969 года возвращение человека на Луну никогда не казалось таким близким. Хотя научный интерес продолжал процветать, космические программы на протяжении многих десятилетий отказывались от него в пользу Международной космической станции и миссий по исследованию Солнечной системы. Возвращение на Луну, в котором доминирует растущая конкуренция между Соединенными Штатами и Китаем, теперь мотивировано желанием изучить и, возможно, использовать ресурсы, которые можно там найти.

Из них гелий-3 представляет наиболее значительный потенциал в области энергетики. Этот нерадиоактивный изотоп является идеальным топливом для работы термоядерного реактора; он состоит из сплава гелия-3 с дейтерием с тем преимуществом, что нейтроны не образуются. Хотя он все еще находится на экспериментальной стадии, способность удерживать такую ​​энергию в защитной камере реактора может сделать его жизнеспособным источником энергии.

В сентябре 2021 года американская компания Commonwealth Fusion Systems, базирующаяся в Массачусетсе, объявила о создании магнитного поля силой 20 тесла с использованием высокотемпературного сверхпроводящего электромагнита, что представляет собой значительный прогресс. С этой точки зрения добыча гелия-3 на Луне может способствовать развитию этой прорывной технологии.

Каков потенциал лунного гелия-3?

Еще в 1988 году в отчете НАСА о гелии-3 упоминалось о возможности использования этого изотопа в ядерном термоядерном реакторе ¹ . Теоретически он предлагает несколько преимуществ по сравнению с современной ядерной энергетикой, поскольку является обильным источником энергии с низким содержанием углерода и без ядерных отходов. На бумаге его преимущества делают его конкурентоспособным ресурсом, в то время как этот изотоп полезен для других приложений, включая криогенику, квантовые компьютеры и МРТ легких. Кроме того, Луна является его основным резервуаром.

В течение миллиардов лет действие солнечного ветра высвобождало высокоэнергетические частицы, в том числе гелий-3, который скапливался на Луне в отсутствие атмосферы. Возобновляемый ресурс по определению, изотоп регулярно откладывается на поверхности Луны под постоянной активностью Солнца. Однако, как показывает Ян Кроуфорд, представление об изобилии этого ресурса необходимо взвесить: самая высокая концентрация, наблюдаемая при измерениях, проведенных на образцах, составляет 10 частей на миллиард (ppb), в зависимости от массы, при средней концентрации 4 ppb в слое реголита ² .

Планируемое возвращение на Луну

В качестве предварительного условия для установки человеческой базы многие государства (Индия, Россия, Китай, Объединенные Арабские Эмираты и др.) готовят в ближайшие годы новые лунные миссии. На сегодняшний день программа Artemis, поддерживаемая НАСА, является наиболее успешной на данном этапе для этого запланированного возвращения. Наряду с Соединенными Штатами к этому амбициозному проекту присоединились многие страны, такие как Австралия, Бразилия, Италия, Япония и Люксембург. Китай вместе с Россией также рассматривает возможность создания лунной базы. Однако спецификации для такого предприятия на данный момент остаются неполными, как с точки зрения финансовых ресурсов, так и технических механизмов для достижения цели, установленной на 2030 год.

Очевидно, что постоянная установка требует строительства и обслуживания инфраструктуры за счет использования местных ресурсов и интенсивного использования роботов. В связи с этим австралийская компания Luyten планирует внедрить технологию 3D-печати для предоставления строительных решений на месте ³ . Другими словами, цель состоит в том, чтобы создать искусственную лунную экосистему для облегчения путешествия на Землю. Для достижения этой цели французский инкубатор TechTheMoon, базирующийся в Тулузе, первым в мире занимается созданием постоянного поселения на Луне 9.0062 4 . Несмотря на это подражание, создание человеческой колонии остается далекой перспективой. Недавний аудиторский отчет НАСА указывает на кумулятивные задержки в программе Artemis, особенно в разработке и тестировании лунного модуля, что де-факто откладывает миссию после 2024 ⁵ .

Китай начинает гонку за этот новый рубеж добычи полезных ископаемых

Китай продемонстрировал стремительный рост своей космической деятельности в направлении Луны – как в экономическом, так и в технологическом плане. В качестве фундаментального шага в развитии своей космической программы Китай отправил свой первый зонд на орбиту вокруг Луны в 2007 году. С тех пор миссии «Чанъэ-4» (2018 г.) и «Чанъэ-5» (2020 г.) достигли значительного прогресса в знание и изучение данных о рельефе и составе почвы. Одной из целей этих поездок является определение точного количества присутствующего гелия-3. С этой целью Пекинский научно-исследовательский институт геологии урана (BRIUG) измеряет содержание гелия-3 в лунном грунте, оценивает параметры его извлечения и изучает фиксацию этого изотопа землей. Эти успехи также отражают общую стратегию Пекина по контролю над земными полезными ископаемыми и металлами и их использованием.

В целом другие страны финансируют программы по анализу лунного грунта, такие как будущая миссия первого эмиратского марсохода, запланированная на 2022 год ⁶ . С помощью лунохода японской компании Ispace марсоход «Рашид» изучит его геологический состав и свойства. Эти миссии, несомненно, помогут оценить его потенциал добычи.

Много препятствий

Научные миссии будут продолжаться в течение следующего десятилетия для продолжения исследования реголитовых пород на новых лунных территориях. Это бесценная научная информация, отражающая одну из основ освоения космоса человеком; на возможности эксплуатации внеземных ресурсов, которые кажутся неограниченными. В любом случае, развитие внеземной горнодобывающей промышленности влечет за собой инвестиционные и инфраструктурные ограничения, так что развертывание существующих возобновляемых ресурсов на Земле останется менее затратным. Фактически, стоимость энергии лунного гелия-3 — от извлечения до использования в ядерном термоядерном реакторе — сделает его в лучшем случае довольно незначительным вкладом в наши долгосрочные потребности в энергии.

В то время как существующие технологические и финансовые барьеры якобы препятствуют запуску такого предприятия за пределами земной системы ⁷ , устойчивая политика исследований и разработок в некоторых странах в этом смысле является способом сохранения возможности открытой. В целом, эта осуществимость может быть разгадана, когда будет преодолен технологический порог, который коррелирует с его экономической рентабельностью.