Гелий-3 с Луны. А нужен ли он нам?
В каждой дискуссии о ресурсах в космосе рано или поздно поднимается тема добычи гелия-3 на Луне.
Чем интересен гелий-3?
Прежде всего давайте разберемся, что же такое гелий-3 и почему он вызывает такой интерес? Гелий, второй по распространенности элемент во Вселенной. Встречается в природе в двух вариантах (изотопах): гелий-3 и гелий-4. Гелий-3 встречается реже, и особенно он редок в земной атмосфере. Почему? Гелий слишком легкий, чтобы быть постоянно связанным земным притяжением. И он улетает в космос на протяжении миллионов лет.
Солнечный ветер, поток электрически заряженных частиц, который летит со скоростью 400 км/с от Солнца, содержит около 5% гелия. Однако магнитное поле Земли не дает ему попасть на Землю. Гелий попадает в земную атмосферу из двух других источников. Во-первых, это вулканы, которые высвобождают как гелий-3, так и гелий-4 из глубин Земли. Во-вторых, это радиоактивный распад урана и тория, который синтезирует исключительно гелий-4. Эти процессы приводят к тому, что в атмосфере только один из 700 000 атомов гелия является гелием-3.
На Луне ситуация совсем иная: на Луне нет ни атмосферы (практически), ни магнитного поля. Ее поверхность подвергается воздействию солнечного ветра непрерывно и безо всяких преград. Считается, что слой лунного грунта, насыщенного гелием-3, достигает 10 метров.
Гелий-3 используется сегодня в науке (для охлаждения до очень низких температур) и в медицине (методы визуализации). Его цена достигает около 2000 долларов за литр или 15 миллионов долларов за килограмм. Это делает его одним из самых дорогих веществ в мире. Но, несмотря на цену, спрос на гелий-3 составляет около 60 000 литров или 8 кг в год. Практически весь коммерчески доступный гелий-3 получают при распаде радиоактивного изотопа водорода (период полураспада 12,3 года). Сегодняшний рынок гелия-3 недостаточно велик, чтобы оправдать его добычу на Луне. И в случае появления новых источников его пополнения цена быстро снизится.
Экономическая выгода
Тем не менее в долгосрочной перспективе возможно возникновение гораздо большего спроса на гелий-3. Это может сделать добычу на Луне экономически выгодной. Гелий-3 можно использовать в качестве топлива для термоядерных реакторов. Почти все экспериментальные термоядерные реакторы используют в качестве топлива смесь дейтерия и трития (DT). Однако при слиянии этих двух изотопов водорода всегда выделяется нейтрон высокой энергии. Эти нейтроны не могут отклоняться магнитными полями. Поэтому они сталкиваются со стенками реактора и запускают там ядерные реакции. Это делает корпус реактора радиоактивным. И вынуждает утилизировать его через определенное время — так же, как радиоактивные отходы. Поэтому термоядерные электростанции совсем не такие «чистые», как иногда утверждают.
А вот слияние двух атомов гелия-3 не приводит к появлению радиоактивности. В ходе этой реакции образуются два протона и один атом гелия-4, которые можно удерживать на удалении от стенок реактора с помощью магнитных полей. Слияние гелия-3 с дейтерием также возможно. Оно обеспечивает немного больше энергии, но неизбежное слияние ядер дейтерия между собой (DD) снова будет производить нейтроны, тритий, и, следовательно, некоторую радиоактивность. Хотя и намного меньшую, чем в реакции DT. Но проблема в том, что обе реакции с гелием-3 требуют гораздо более высоких температур, чем реакция DT.
Экспериментальные термоядерные реакторы, существующие сегодня и планируемые к разработке в ближайшем будущем, по этой причине не могут использовать гелий-3 в качестве топлива. Проблема температур в лучшем случае могла бы быть решена не раннее разработки второго поколения рассматриваемых реакторов. Но, в любом случае, идея привлекательна. Сегодняшний мировой спрос на электроэнергию можно было бы удовлетворить всего лишь 200-300 тоннами гелия-3 в год. Если бы вы захотели удовлетворить сегодняшний мировой спрос на электроэнергию из существующих коммерческих резервов гелия-3, они были бы израсходованы всего за 6 часов. Весь гелий-3 в атмосфере будет исчерпан через столетие.
Запасы на Луне и не только
Но как насчет Луны? У нее, как подозревают ученые, есть миллион тонн гелия-3. Такое количество может покрыть сегодняшнюю мировую потребность в электроэнергии на 3300 лет.
Чтобы извлечь гелий-3, реголит, верхний пылевой слой Луны, должен быть нагрет до примерно 900 °C. Затем, например, путем охлаждения — гелий должен быть отделен от других газов. Затем он также должен быть отделен от гелия-4 либо путем дополнительного охлаждения. Либо другим способом обогащения (например, центрифугой). Выход будет не очень высоким: при типичной концентрации 3,3 части на миллиард, одна тонна реголита содержит около 3,3 миллиграмма гелия-3. Для производства 300 тонн гелия-3 необходимо ежегодно перерабатывать 90 миллиардов тонн реголита. При глубине добычи в десять метров в год нужно было бы разрабатывать 4500 квадратных километров. То есть каждые девять лет площадь размером с Швейцарию.
Усилия понадобятся колоссальные. Но окупятся ли они?
Расчеты показывают, что возможный выход энергии от использования гелия-3 в 70 миллионов раз превышает затраты по его транспортировке с Луны на Землю. Это означает — как и в случае с нефтью на Земле — что транспортные расходы вряд ли сыграли бы какую-то роль в формировании цены ресурса. Это открывает нам новые возможности. Если мы найдем место, где условия для извлечения гелия-3 лучше, чем на Луне, можно легко справиться даже с большими расстояниями, используя мощные ракеты. В итоге все это многократно окупится. И в Солнечной системе есть такие места. Это атмосферы газовых гигантов.
Уран — самый легкий среди газовых гигантов. А это значит, что от него легче всего уйти. Энергия, необходимая для доставки одного килограмма гелия-3 из атмосферы Урана на Землю, почти в 200 раз больше, чем при доставке с Луны. Но в отличие от Луны, гелий-3 уже присутствует в атмосфере Урана. Он составляет около 0,005% ее объема. И может быть легко отделен от других газов. Кроме того, его количество там колоссально. В общей сложности в атмосфере Урана содержится около 400 квадриллионов тонн гелия-3. Этого достаточно для покрытия мирового потребления электроэнергии при сегодняшних объемах в течение следующих 5 миллиардов лет.
Если ученые разработают реакторы, работающие на гелии-3, его добыча в космосе будет вполне рентабельной.
Источник
Для чего нужен гелий с луны
Последние новости науки и технологий
Обзорная тема дня:
| Энергетика |
Гелий-3 на Луне – будущее земной энергетики?
ЭНЕРГЕТИКА
В течение 2017 года все четыре ведущие космические державы мира (Россия, США, Китай и Индия) заявили о намерениях наладить добычу изотопа гелий-3 на Луне. Как известно, это – наиболее перспективный материал для получения энергии в термоядерных реакторах, массовое внедрение которых может произойти уже в 2040-х годах.
Не исключено, что в ближайшие годы мы станем свидетелями Лунной гонки-2, победитель (или победители) которой получит в свои руки практически неисчерпаемый источник энергии. Это в свою очередь, позволит человечеству выйти на качественно новый технологический уклад, о параметрах которого мы можем только догадываться.
Что такое гелий-3?
Из школьного курса физики мы помним, что атомная масса гелия равняется четырем и этот элемент является инертным газом. Его проблематично использовать в каких-либо химических реакциях, тем более с выделением энергии. Совсем другое дело — изотоп гелия с атомной массой 3. Он способен входить в термоядерную реакцию с дейтерием (изотопом водорода с атомной массой 2) в результате чего образуется гигантская энергия за счет синтеза обычного гелия-4 с выделением протона ( 3 Не + D → 4 Не + p + энергия). Подобным образом из всего одного грамма гелия-3 можно получить такую же энергию, как при сжигании 15-ти тонн нефти.
Так происходит термоядерная реакция с участием гелия-3 и дейтерия
Тонны гелия-3 хватит для энерговыделения на уровне 10 ГВт в течение года. Таким образом, чтобы закрыть все сегодняшние энергопотребности России, ежегодно понадобится 20 тонн гелия-3, а для всего человечества потребуется примерно 200 тонн данного изотопа в год. При этом отпадет необходимость жечь нефть и газ, запасы которых не безграничны, по последним оценкам разведанных запасов углеводородов — человечеству хватит всего на полвека. Не нужно будет эксплуатировать и достаточно опасные АЭС, что после Чернобыля и Фукусимы приобрело особую актуальность.
Несмотря на вновь открываемые месторождения углеводородов, большинству стран их хватит всего лишь на полвека
Где взять гелий-3?
При современном развитии технологий единственным реально доступным источником этого элемента является поверхность Луны. Сам по себе гелий-3 образуется в недрах звезд (например, нашего Солнца) в результате соединения двух атомов водорода.
При этом основным продуктом данной реакции является обычный гелий-4, а изотоп-3 образуется в малых количествах. Часть его выносится солнечным ветром и равномерно распределяется по планетной системе.
Возможно, примерно так будет выглядеть рабочий поселок шахтеров-добытчиков гелия-3 на Луне
На Землю гелий-3 практически не выпадает, поскольку его атомы отклоняются магнитным полем нашей планеты. Зато на планетах, у которых такое поле отсутствует, элемент осаждается в верхних слоях грунта и постепенно накапливается. Ближайшим к Земле небесным телом, у которого отсутствует магнитное поле, является Луна, поэтому именно здесь сосредоточены доступные человечеству запасы этого ценного энергоносителя.
Еще в 1994 г. учеными была составлена карта прогнозных запасов гелия-3 в лунном реголите, созданная на основе исследований, проведенных космическим аппаратом «Клементина»
Подтверждением тому служат не только теоретические выкладки, но и результаты эмпирических исследований. Во всех пробах лунного грунта, доставленных на Землю, был обнаружен гелий-3 в относительно высоких концентрациях. В среднем — на 100 тонн реголита приходится 1 гр. данного энергоизотопа.
Таким образом, чтобы извлечь вышеупомянутые 20 тонн гелия-3 для полного удовлетворения годовых энергопотребностей РФ, понадобится «перелопатить» 2 000 млн. тонн лунного грунта.
Физически это соответствует участку на Луне размерами 20х20 км с глубиной карьера 3 м. Задача по организации столь масштабной добычи — достаточно сложная, но вполне решаемая, уверены современные инженеры. Судя по всему, более трудной и дорогостоящей проблемой станет доставка десятков тонн топлива для теромоядерных печей на Землю.
Для добычи гелия-3 понадобится не только его получить, но и доставить на Землю
Чего не хватает человечеству для гелиевой энергореволюции?
Для развития на Земле полноценной термоядерной энергетики на базе гелия-3 людям предстоит решить три основных задачи.
1. Создание надежных и мощных средств доставки грузов по маршруту Земля-Луна и обратно.
2. Возведение лунных баз и комплексов по добыче гелия-3, которое сопряжено с множеством технологических проблем.
3. Строительство собственно термоядерных электростанций на Земле, для чего также предстоит преодолеть определенные технологические барьеры.
К решению первой задачи человечество придвинулось практически вплотную. Все четыре страны, участвующие в Лунной гонке-2 плюс Европейский Союз, уже разработали или разрабатывают ракеты тяжелого класса, способны забрасывать тонны груза на лунную орбиту. Например, к 2027 г. в России запланирована реализация «в железе» ракеты-носителя «Ангара-А5В», которая будет способна доставить к Луне не менее 10 тонн полезного груза. С обратной транспортировкой будет попроще, поскольку сила притяжения Луны в 6 раз меньше земной, но здесь проблемой будет топливо. Его придется либо завозить с Земли, либо вырабатывать на поверхности нашего спутника.
Наиболее перспективной «лунной» ракетой России является «Ангара» в модификации А5В, а у американцев – «Falcon Heavy», которая, правда еще только разрабатывается
Гораздо более серьезной является вторая задача, поскольку помимо организации собственно добычи гелия-3 из реголита инженерам придется создать надежные лунные базы с системами жизнеобеспечения для шахтеров будущего. В этом сильно помогут технологии, наработанные благодаря многолетней эксплуатации орбитальных станций, прежде всего МКС и «Мир». Как в России, так и в других странах сегодня активно проектируются лунные базы и, пожалуй, наша страна на сегодня имеет максимум технологий для реального воплощения подобных проектов.
В Америке уже разработан эскизный проект передвижной установки по добыче гелия-3
Что касается третьей проблемы, то работы по созданию термоядерных реакторов идут на Земле последние три десятилетия. Основной технологической трудностью здесь является проблема удержания высокотемпературной плазмы (необходимой для «розжига» термоядерного синтеза) в т.н. «магнитных ловушках».
Этот вопрос уже решен для реакторов, работающих на принципе соединения дейтерия и трития (D + T = 4 He + n + энергия). Для поддержания такой реакции достаточно температуры в 100 млн. градусов.
Однако подобные реакторы никогда не станут массовыми, поскольку они чрезвычайно радиоактивны. Для запуска реакции с участием гелия-3 и дейтерия понадобятся температуры в 300-700 млн. градусов. Пока такую плазму не удается длительно удерживать в магнитных ловушках, но возможно к прорыву в этой области приведет запуск Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER), который сейчас строится во Франции и будет введен в эксплуатацию к 2025 г.
Плазма в международном реакторе ΙΤΕR будет разогреваться до 150 млн. градусов, чего достаточно для соединения дейтерия с тритием, для работы с гелием-3 понадобятся, как минимум, в 2 раза большие показатели
Таким образом, десятилетие между 2030-2040 гг. имеет все шансы оказаться стартовым в деле развития энергетики на базе гелия-3, поскольку к этому времени, судя по всему, будут преодолены технологические препятствия, указанные выше. Соответственно, останется найти деньги на реализацию энергопроекта, который способен перевести человечество в эру чрезвычайно дешевой (почти дармовой) энергии со всеми вытекающими последствиями, как для экономики, так и качества жизни каждого человека.
Источник