Skip to main content

Источник: Trаshbох

Существование гелия-3 было предсказано еще в 1934 году австралийским ученым Марком Олифантом. Это один из двух стабильных изотопов гелия. Ядро гелия-3 состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от более тяжелого стабильного изотопа — гелия-4, имеющего два протона и два нейтрона (изотопные индексы даны именно по числу элементарных частиц). В 1939 году Луис Альварес и Роберт Корног смогли экспериментально подтвердить существование гелия-3. Однако особого энтузиазма у ученых это открытие не вызвало. Дело в том, что, несмотря на все достоинства (о которых мы поговорим ниже), на гелий-3 приходится 0,000137% гелия на Земле, а на гелий-4 — 99,99986%, не обладающий полезными свойствами первого. Все изменилось с 1969 года, когда Аполлон-11 доставил на Землю первые образцы лунного грунта. Оказалось, что лунный реголит относительно богат гелием-3. Ученые предприняли детальное изучение возможностей этого изотопа гелия.

Что такое ядерный синтез

Для человечества в его современном виде производство энергии является основополагающим фактором комфортного существования. Из химических процессов наиболее эффективной с точки зрения получения энергии является реакция взаимодействия с кислородом — горение, которое сегодня служит основным источником энергии в электростанциях, на транспорте и в быту. Ядерные реакции в этом смысле аналогичны химическим, только энергия связи протонов и нейтронов в ядре намного больше той, которая связывает атомы в молекулы. Поэтому одна тонна ядерного топлива может легко заменить миллионы тонн нефти. Но чтобы высвободить из него энергию, нужно приложить большую силу (нагреть его до сотен миллионов градусов, чтобы началась термоядерная реакция). В природе аналогичные процессы происходят в недрах звезд.

На Луне есть редчайший гелий-3, и человечество мечтает его добыть.  Как и почему

Повторить такую ​​реакцию люди могут пока только в военных целях (водородная бомба). Чтобы хранить такую ​​энергию в каком-то месте и использовать ее в своих целях, нужны более совершенные технологии. Один из теоретических вариантов — термоядерные реакторы (токамаки), в которых изначально планировалось синтезировать гелий из смеси дейтерия и трития. Основным недостатком системы является высокая радиоактивность трития, период полураспада которого составляет всего 12,5 лет. В коммерческом реакторе внутренние стенки камеры сгорания необходимо заменять каждые несколько лет из-за радиационного разложения материала. Кроме того, выделяющаяся энергия уносится в основном нейтронами, не имеющими электрического заряда и плохо взаимодействующими с веществом, что затрудняет ее сбор. Одной из лучших альтернатив является замена трития гелием-3. Реакции смесей дейтерия и гелия практически радиационно безопасны, поскольку в них используются только стабильные ядра и не образуются неудобные нейтроны.

Что такое гелий-3 и где его найти

Из химии мы знаем, что гелий — это инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха, который является вторым по распространенности элементом во Вселенной после водорода. Однако на Земле его содержание крайне мало. Более того, на нашей планете при распаде радиоактивных химических элементов вылетают альфа-частицы — ядра гелия-4. Гелий-3 в относительно больших количествах содержится в космическом гелии, который образуется, например, на Солнце в ходе термоядерных реакций. Этот газ очень легкий, поэтому, попадая в атмосферу Земли, быстро испаряется. Общее количество гелия-3 в атмосфере нашей планеты оценивается в 35 000 тонн. Однако в настоящее время изотоп не извлекают из природных источников, а создают путем распада искусственно полученного трития, бомбардируя литий-6 нейтронами в ядерном реакторе. Таким способом можно получить до 18 килограммов гелия-3 в год, чего совершенно недостаточно для любых промышленных нужд.

На Луне есть редчайший гелий-3, и человечество мечтает его добыть.  Как и почему

В природе он может накапливаться либо на крупных планетах (Уран или Нептун), способных его удерживать, либо на телах без атмосферы и магнитосферы. Таким образом, Луна бомбардировалась плазмой солнечного ветра в течение миллиардов лет. В доставленных на Землю образцах лунного реголита содержание гелия-3 на тонну составило 0,01 грамма. Это означает, что на Луне должно быть от 500 тысяч до нескольких миллионов тонн этого изотопа. Ученые подсчитали, что 0,02 грамма гелия-3 при реакции синтеза высвобождает столько же энергии, сколько вырабатывается при сгорании барреля нефти (159 литров). При нынешнем уровне мирового энергопотребления лунного топлива хватило бы человечеству на 5-10 тысяч лет, что примерно в десять раз превышает энергетический потенциал всего возобновляемого химического топлива (газ, нефть, уголь) на Земле.

Зачем вообще добывать гелий-3

Большая часть гелия, добываемого человеком, используется в лабораториях для научных целей. Гелий-3 используется для заполнения детекторов газовых нейтронов. Это счетчики для измерения потока нейтронов. Например, нейтронные мониторы используются для обнаружения незаконно перевозимых делящихся материалов и предотвращения ядерного терроризма. Гелий-3 также используется для достижения сверхнизких температур. Ноль Кельвина (-273,1 °C) — это минимальный температурный предел, который может иметь физическое тело во Вселенной. Откачивая пары гелия-4 под вакуумом, можно получить температуру до 0,7 К. Если откачать пары гелия-3, то можно приблизиться к условной границе криогенных и сверхнизких температур (0,3 К). При растворении жидкого гелия-3 в гелии-4 достигаются температуры в милликельвинах (около 0,02 К).

На Луне есть редчайший гелий-3, и человечество мечтает его добыть.  Как и почему

Наиболее полезным применением гелия-3 является термоядерное топливо. Однако именно этого человечество до сих пор не может и не может из-за отсутствия гелия-3 в необходимых количествах, а также сырой технологии создания и эксплуатации токамаков. Но в теории гелий-3 — почти идеальный вариант ядерного топлива. Дейтериево-гелиевые реакции не дают радиоактивных отходов (в том числе при авариях), отличаются высокой энергоэффективностью, вместо бесполезных нейтронов испускают протоны, которые можно использовать для выработки дополнительной электроэнергии, а реакторы, по мнению ученых, будут иметь более низкую операционные затраты.

В чем проблема производства гелия-3

Как уже было сказано, природный гелий-3 если и можно добывать на Земле, то абсолютно неэффективно, а искусственное производство прикрывает только интересы ученых. На Луне имеются огромные запасы этого природного топлива. По данным World Security Network, стоимость добычи 1 тонны гелия-3 на спутнике Земли может составить около 3 миллиардов долларов (на 2014 год). Учитывая разницу в энергоэффективности изотопа гелия и нефти и прочих сложных расчетов, даже такая сумма экономически выгодна. Однако есть нюанс. Для того, чтобы начать добывать что-либо на Луне, вам сначала придется переместить туда несколько шахтерских городов, что, собственно, и означает колонизацию спутника. Нужна и соответствующая инфраструктура (людям придется жить в вакууме самостоятельно и обеспечивать себя водой, воздухом, топливом, основными строительными материалами и так далее), создание которой обойдется намного дороже и займет не менее 20 лет . И никто этого делать не будет до тех пор, пока полностью не прояснится перспектива использования термоядерных реакторов, которые на данный момент работают исключительно в экспериментальном режиме, задерживая реакции на несколько секунд, и ни о каком массовом производстве энергии речи не идет.

Источник: Trаshbох

Оставить комментарий