Гелий-3 с Луны. А нужен ли он нам?

Спутник нашей планеты имеет на своей поверхности колоссальные энергоресурсы

0

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментировать

Войти с помощью: 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: