Пройдет совсем немного времени, по меркам жизни человеческой цивилизации, как ископаемые природные богатства будут исчерпаны. Среди возможных кандидатур на замену нефти и газа называют то энергию солнца, то силу ветра, то водород. В последние годы все чаще можно услышать о новом спасении для планеты под названием гелий-3 . Что это вещество можно использовать в качестве сырья для электростанций, додумались относительно недавно.

Общие данные о веществе: свойства

В 1934 оду австралийский физик Марк Олифант, во время работы в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в Англии пришел к замечательному открытию. В ходе первой демонстрации ядерного синтеза при бомбардировке дейтронной мишени, он выдвинул гипотезу о существовании нового изотопа химического элемента под номером 2. Сегодня он же известен как гелий-3.

Он обладает следующими свойствами :

• Содержит два протона, один нейтрон и два электрона;
• Среди всех известных элементов он является единственным стабильным изотопом, который имеет больше протонов, чем нейтронов;
• Кипит при 3,19 по Кельвину (-269,96 градусов Цельсия). Во время кипения вещество теряет половину своей плотности;
• Момент импульса равен ½, что делает его фермионом;
• Скрытая теплота парообразования составляет 0,026 КДж/Моль;

Спустя пять лет после открытия Марка Олифанта его теоретические построения получили экспериментальное подтверждение. А еще спустя 9 лет ученым удалось получить соединение в жидком виде . Как оказалось, в таком агрегатном состоянии гелий-3 обладает сверхтекучими свойствами.

Другими словами, при температурах, близких к абсолютному нулю, он способен проникать сквозь капилляры и узкие щели, практически не испытывая противодействия силы трения.

Добыча гелия-3 на Луне

Солнечный ветер на протяжении миллиардов лет нанес в поверхностный слой реголита гигантское количество гелия-3. Согласно оценкам, его количество на земном спутнике может достигать 10 миллионов тонн.

Многие космические державы имеют программу добычи этого вещества для целей последующего термоядерного синтеза:

• В январе 2006 года российская компания «Энергия» заявила о планах начать геологические работы на Луне к 2020 году. Сегодня будущее проекта находится в подвешенном состоянии, из-за тяжелого экономического положения страны;
• В 2008 году Индийская организация космических исследований отправила к поверхности земного спутника зонд, одной из целей которого было заявлено изучение гелий-содержащих минералов;
• Собственные виды на залежи драгоценного сырья имеет и Китай. Согласно планам, предполагается отправлять к спутнику ежегодно три челнока. Энергия, произведенная из этого топлива, с лихвой покроет потребности всего человечества.

Пока остается мечтой, которую можно увидеть разве что в научно-фантастических лентах. Среди них - «Луна» (2009) и «Железное небо» (2012).

В данном видео физик Борис Романов расскажет, в каком виде находится вещество гелий-3 на Луне, возможно ли его оттуда импортировать:

Геохимические данные

Изотоп также присутствует на планете Земля, хотя и в меньших количествах:

• Это главная составляющая земной мантии, которая была синтезирована еще во время планетообразования. Совокупная ее масса в этой части планеты составляет, по различным оценкам, от 0,1 до 1 миллиона тонн;
• На поверхность он выходит в результате деятельности вулканов. Так, сопки Гавайских островов выделяют около 300 граммов этого вещества в год. Срединно-океанические хребты - около 3 килограммов;
• В местах наезда одной литосферной плиты на другую могут находиться сотни тысяч тонн гелиевого изотопа. Извлечь это богатство промышленным способом на современном этапе технологического развития не представляется возможным;
• Природа продолжает производство данного соединения до сих пор, в результате распада радиоактивных элементов в коре и мантии;
• В довольно небольших количествах (до 0,5%) его можно найти в некоторых источниках природного газа. Как отмечают эксперты, ежегодно в процессе транспортировки природного газа происходит отделение 26 м 3 гелия-3;
• Также он присутствует в земной атмосфере. Удельная доля его составляет приблизительно 7,2 частей на триллион атомов прочих газов атмосферы. Согласно последним подсчетам, общая масса атмосферного 3 2 he достигает минимум 37 тысяч тонн.

Современное использование вещества

Практически весь используемый в народном хозяйстве изотоп получают путем радиоактивного распада трития, который бомбардируют нейтронами лития-6 в ядерном реакторе.

На протяжении десятков лет гелий-3 был всего-навсего побочным продуктом при изготовлении боеголовок атомного оружия . Однако после подписания договора СНВ-1 в 1991 году сверхдержавы снизили объемы изготовления ракет, из-за чего продукты производства также пошли на убыль.

Сегодня масштабы производства изотопа находятся на подъеме, поскольку ему нашли новое применение:

1. Благодаря относительно высокому гиромагнитному соотношению, частицы этого вещества применяются при медицинской томографии легких. Пациент вдыхает газовую смесь, содержащую гиперполяризованные атомы гелия-3. Затем под воздействием лазерного излучения инфракрасного диапазона компьютер рисует анатомические и функциональные изображения органов;
2. В научных лабораториях данное соединение используется в криогенных целях. Путем его испарения с поверхности холодильника удается достичь значений, близких к 0,2 кельвина;
3. В последние годы набирает популярность идея использования вещества в качестве сырья для электростанций. Первая подобная установка была построена в 2010 году в долине Теннеси (США).

Гелий-3 как топливо

Второй, пересмотренный подход к использованию контролируемой термоядерной энергии предполагает использование в качестве сырья 3 2 he и дейтерия. Результатом такой реакции будет ион гелия-4 и высокоэнергетические протоны.

Теоретически данная технология обладает такими преимуществами:

1. Высокий КПД, поскольку для контроля за слиянием ионов используется электростатическое поле. Кинетическая энергия протонов напрямую преобразуется в электричество за счет твердотельного преобразования. Нет необходимости строить турбины, которые используются в АЭС для превращения энергии протонов в тепло;
2. Более низкие, в сравнении с прочими типами электростанций, капитальные и эксплуатационные затраты;
3. Ни воздух, ни вода не загрязняются;
4. Относительно малые габариты благодаря использованию современных компактных установок;
5. Отсутствует радиоактивное топливо.

Однако критики отмечают значительную «сырость» такого решения. В самом лучшем случае коммерческое использование термоядерного синтеза начнется не ранее 2050 года .

Среди всех изотопов химического элемента с порядковым номером 2 особняком стоит гелий-3. Что это, вкратце можно описать следующими свойствами: он стабилен (то есть не испытывает превращений в результате излучения), обладает сверхтекучими свойствами в жидком виде, имеет относительно малую массу.

Видео про образование гелия-3 во Вселенной

В данном ролике физик Даниил Потапов расскажет, как во Вселенной образовался гелий-3, какую роль в формировании вселенной он играл:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Кандидат физико-математических наук А. ПЕТРУКОВИЧ.

С легкой руки американского президента в конце 2003 года в повестку дня встал вопрос о новых целях человечества в космосе. Высказанная среди прочих предложений задача создания обитаемой станции на Луне отчасти основывается на заманчивой идее использовать уникальные лунные запасы гелия-3 для получения энергии на Земле. Пригодится лунный гелий или нет, покажет будущее, но рассказ о нем достаточно увлекателен и позволяет сравнить наши знания о строении атомного ядра и Солнечной системы с практическими аспектами энергетики и горного дела.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

ЗАЧЕМ? ИЛИ ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ - АЛХИМИЯ НАЯВУ

Превратить свинец в золото было мечтой средневековых алхимиков. Как всегда, природа оказалась богаче человеческих фантазий. Реакции ядерного синтеза создали все разнообразие химических элементов, заложив материальные основы нашего мира. Однако синтез может дать и нечто гораздо более ценное, чем золото, - энергию. Ядерные реакции в этом смысле подобны химическим (то есть реакциям преобразования молекул): каждое составное вещество, будь то молекула или атомное ядро, характеризуется энергией связи, которую необходимо потратить, чтобы разрушить соединение, и которая высвобождается при его образовании. Когда энергия связи продуктов реакции выше, чем исходных материалов, - реакция идет с выделением энергии, и, если научиться ее забирать в том или ином виде, исходные вещества можно использовать как топливо. Из химических процессов наиболее эффективна в этом смысле, как известно, реакция взаимодействия с кислородом - горение, которая сегодня служит основным и незаменимым источником энергии на электростанциях, на транспорте и в быту (еще больше энергии выделяется в ходе реакции фтора, особенно молекулярного, с водородом; однако и сам фтор, и фтористый водород - вещества чрезвычайно агрессивные).

Энергия связи протонов и нейтронов в ядре значительно больше, чем та, что связывает атомы в молекулы, и ее можно в прямом смысле слова взвесить, пользуясь великой формулой Эйнштейна E = mc 2: масса атомного ядра заметно меньше масс отдельных протонов и нейтронов, его составляющих. Поэтому тонна ядерного топлива заменяет многие миллионы тонн нефти. Однако синтез не зря называется термоядерным: чтобы преодолеть электростатическое отталкивание при сближении двух положительно заряженных атомных ядер, нужно как следует разогнать их, то есть нагреть ядерное топливо до сотен миллионов градусов (вспомним, что температура есть мера кинетической энергии частиц). По сути, при таких температурах мы имеем дело уже не с газами или жидкостями, а с четвертым состоянием вещества - плазмой, в которой нет нейтральных атомов, а есть только электроны и ионы.

В природе подобные условия, подходящие для синтеза, существуют лишь в недрах звезд. Солнце своей энергией обязано так называемому гелиевому циклу реакций: синтезу ядра гелия-4 из протонов. В звездах-гигантах и при взрывах сверхновых рождаются и более тяжелые элементы, формируя, таким образом, все разнообразие элементов во Вселенной. (Правда, считается, что часть гелия могла образоваться и непосредственно при рождении Вселенной, во время Большого взрыва.) Солнце в этом смысле не самый эффективный генератор, потому что оно горит долго и медленно: процесс тормозит первая и самая медленная реакция синтеза дейтерия из двух протонов. Все следующие реакции идут гораздо быстрее и немедленно пожирают доступный дейтерий, в несколько этапов перерабатывая его в ядра гелия. В результате, даже если предположить, что в синтезе участвует только одна сотая солнечного вещества, находящаяся в его ядре, энерговыделение составляет всего лишь 0,02 ватта на килограмм. Впрочем, именно этой медлительности, объясняемой в первую очередь небольшой, по звездным меркам, массой светила (Солнце относится к категории субкарликов) и обеспечивающей постоянство потока солнечной энергии на многие миллиарды лет, мы обязаны самим существованием жизни на Земле. В звездах-гигантах преобразование материи в энергию идет значительно быстрее, но в результате они сжигают себя полностью за десятки миллионов лет, не успев даже толком обзавестись планетными системами.

Задумав провести термоядерный синтез в лаборатории, человек собирается таким образом перехитрить природу, создав более эффективный и компактный генератор энергии, чем Солнце. Однако мы можем выбрать гораздо более легко осуществимую реакцию - синтез гелия из дейтерий-тритиевой смеси. Планируется, что проектируемый международный термоядерный реактор - токамак "ИТЕР" сможет достичь порога зажигания, от чего, впрочем, еще очень и очень далеко до коммерческого использования термоядерной энергии (см. "Наука и жизнь" №№ , , 2001 г.). Основная проблема, как известно, состоит в том, чтобы удержать плазму, нагретую до нужной температуры. Так как никакая стенка при такой температуре не избежит разрушения, то удерживать плазменное облако пытаются магнитным полем. В водородной бомбе задача решается взрывом небольшого атомного заряда, сжимающего и нагревающего смесь до необходимой кондиции, но для мирного получения энергии этот способ мало подходит. (О перспективах так называемой взрывной энергетики см. "Наука и жизнь" № 7, 2002 г.)

Главный недостаток дейтерий-тритиевой реакции - высокая радиоактивность трития, период полураспада которого составляет всего 12,5 лет. Это самая радиационно-грязная из доступных реакций, причем настолько, что в промышленном реакторе внутренние стенки камеры сгорания необходимо будет менять через каждые несколько лет из-за радиационного разрушения материала. Правда, наиболее вредные радиоактивные отходы, требующие бессрочного захоронения глубоко под землей из-за большого времени распада, при синтезе не образуются совсем. Другая проблема заключается в том, что выделяемую энергию уносят в основном нейтроны. Эти не имеющие электрического заряда частицы не замечают электромагнитного поля и вообще плохо взаимодействуют с веществом, так что отобрать у них энергию непросто.

Реакции синтеза без трития, например с участием дейтерия и гелия-3, практически радиационно безопасны, так как в них используются только стабильные ядра и не производятся неудобные нейтроны. Однако, чтобы "зажечь" такую реакцию, нужно, компенсируя более низкую скорость синтеза, нагреть плазму в десять раз сильнее - до миллиарда градусов (одновременно решив задачу ее удержания)! Поэтому сегодня подобные варианты рассматривают как основу будущих термоядерных реакторов второго, следующего за дейтерий-тритиевым, поколения. Однако идея этой альтернативной термоядерной энергетики приобрела и неожиданных союзников. Сторонники колонизации космоса считают гелий-3 одной из основных экономических целей лунной экспансии, которая должна обеспечить потребности человечества в чистой термоядерной энергии.

ГДЕ? ИЛИ СОЛНЕЧНЫЙ ГОСТЬ

На первый взгляд проблем с тем, где взять гелий, быть не должно: он второй по распространенности во Вселенной элемент, а относительное содержание в нем легкого изотопа составляет немногим меньше одной тысячной доли. Однако для Земли гелий - экзотика. Это очень летучий газ. Земля не может удержать его своим тяготением, и почти весь первичный гелий, попавший на нее из протопланетного облака при образовании Солнечной системы, вернулся из атмосферы обратно в космос. Даже обнаружен гелий был сначала на Солнце, почему и получил название в честь древнегреческого бога Гелиоса. Позже его нашли в минералах, содержащих радиоактивные элементы, и, наконец, выловили в атмосфере среди других благородных газов. Земной гелий имеет в основном не космическое, а вторичное, радиационное, происхождение: при распаде радиоактивных химических элементов вылетают альфа-частицы - ядра гелия-4. Гелий-3 так не образуется, и поэтому его количество на Земле ничтожно и исчисляется буквально килограммами.

Запастись гелием космического происхождения (с относительно большим содержанием гелия-3) можно в атмосферах Урана или Нептуна - планет достаточно больших, чтобы удержать этот легкий газ, или на Солнце. Оказалось, что к солнечному гелию подобраться проще: все межпланетное пространство заполнено солнечным ветром, в котором на 70 тысяч протонов приходится 3000 альфа-частиц - ядер гелия-4 и одно ядро гелия-3. Ветер этот чрезвычайно разрежен, по земным меркам он представляет собой самый настоящий вакуум, и "сачком" его поймать невозможно (см. Наука и жизнь" № 7, 2001 г.). Зато солнечная плазма оседает на поверхности небесных тел, не имеющих магнитосферы и атмосферы, например на Луне, и, значит, можно опустошить какую-нибудь природную ловушку, исправно пополнявшуюся последние четыре миллиарда лет. В результате плазменной бомбардировки на Луну за это время выпало несколько сотен миллионов тонн гелия-3. Если бы весь солнечный ветер оставался на поверхности Луны, то кроме 5 граммов гелия-3 на каждом квадратном метре поверхности оказалось бы в среднем еще 100 килограммов водорода и 16 - гелия-4. Из этого количества можно было бы создать вполне приличную атмосферу, лишь немногим более разреженную, чем марсианская, или океан жидкого газа двухметровой глубины!

Однако ничего подобного на Луне нет, и лишь очень малая доля ионов солнечного ветра навсегда остается в верхнем слое лунного грунта - реголите. Исследования лунного грунта, привезенного на Землю советскими станциями "Луна" и американскими "Аполлонами", показали, что гелия-3 в нем примерно 1/100-миллионная часть, или 0,01 грамма на 1 тонну. А всего на Луне около миллиона тонн этого изотопа, по земным меркам очень много. При современном уровне мирового энергопотребления лунного топлива хватило бы на 10 тысяч лет, что примерно в десять раз больше, чем энергетический потенциал всего извлекаемого химического топлива (газа, нефти, угля) на Земле.

КАК? ИЛИ "В ГРАММ ДОБЫЧА, В ГОД ТРУДЫ"

К сожалению, никаких "озер" гелия на Луне нет, он более или менее равномерно рассеян по всему приповерхностному слою. Тем не менее с технической точки зрения процесс добычи довольно прост и в подробностях разработан энтузиастами колонизации Луны (см., например, www.asi.org).

Чтобы обеспечить современную годовую потребность Земли в энергии, необходимо завезти с Луны всего лишь около 100 тонн гелия-3. Именно это количество, соответствующее трем-четырем рейсам космических челноков - шаттлов, и завораживает своей доступностью. Однако сначала надо перекопать около миллиарда тонн лунного грунта - не такое уж большое количество по меркам горной промышленности: например, угля за год в мире добывают два миллиарда тонн (в России - около 300 миллионов тонн). Конечно, содержание гелия-3 в породе не слишком велико: например, разработка месторождений считается экономически эффективной, если золота в них содержится не менее нескольких граммов, а алмазов - не менее двух каратов (0,4 г) на тонну. В этом смысле гелий-3 можно сравнить разве что с радием, которого с начала ХХ века было получено всего лишь несколько килограммов: после обработки тонны чистого урана получается только 0,4 грамма радия, не говоря уже о проблемах добычи самого урана. В начале прошлого века, в период романтического отношения к радиоактивности, радий был довольно популярен и известен не только физикам, но и лирикам: вспомним фразу В. В. Маяковского: "Поэзия - та же добыча радия. В грамм добыча, в год труды". Зато гелий-3 дороже практически любого вещества, используемого человеком, - одна тонна стоила бы как минимум миллиард долларов, если пересчитать энергетический потенциал гелия в нефтяной эквивалент по бросовой цене 7 долларов за баррель.

Газ легко выделяется из реголита, нагретого до нескольких сотен градусов, скажем, при помощи зеркала-концентратора солнечных лучей. Не забудем, что еще надо отделить гелий-3 от гораздо большего количества других газов, в основном от гелия-4. Это делают, охлаждая газы до жидкого состояния и пользуясь незначительной разницей температур кипения изотопов (4,22 К для гелия-4 или 3,19 К для гелия-3). Другой изящный способ разделения основан на использовании свойства сверхтекучести жидкого гелия-4, который может самостоятельно перетечь через вертикальную стенку в соседнюю емкость, оставив после себя только несверхтекучий гелий-3 (см. "Наука и жизнь" № 2, 2004 г.).

Увы, заниматься всем этим придется в безвоздушном пространстве, не "в тепличных" условиях Земли, а на Луне. Придется переселить туда несколько шахтерских городов, что, в сущности, означает колонизацию Луны. Сейчас за безопасностью нескольких космонавтов на околоземной орбите следят сотни специалистов и в любой момент экипаж может вернуться на Землю. Если в космосе окажутся десятки тысяч человек, им придется жить в условиях вакуума самостоятельно, без детального присмотра с Земли, и обеспечивать себя водой, воздухом, топливом, основными строительными материалами. Впрочем, водорода, кислорода и металлов на Луне достаточно. Многие из них могут быть получены как побочный продукт добычи гелия. Тогда, вероятно, гелий-3 сможет стать выгодным товаром для торговли с Землей. Но поскольку люди, находящиеся в столь сложных условиях, будут нуждаться в гораздо большем количестве энергии, чем земляне, лунные запасы гелия-3 могут показаться нашим потомкам не такими уж безграничными и привлекательными.

Кстати, на этот случай есть и альтернативное решение. Если уж инженеры и физики найдут способ справиться с удержанием в десять раз более горячей, чем нужно для современного токамака, гелиевой плазмы (задача, кажущаяся сейчас совершенно фантастической), то, увеличив температуру еще всего лишь в два раза, мы "зажжем" и реакцию синтеза с участием протонов и бора. Тогда все проблемы с топливом будут решены, причем за гораздо меньшую цену: бора в земной коре больше, чем, например, серебра или золота, он широко используется как добавка в металлургии, электронике, химии. Различных боросодержащих солей горнообогатительные комбинаты выпускают сотни тысяч тонн в год, а если нам не хватит запасов на суше, то в каждой тонне морской воды содержится несколько граммов бора. И тот, у кого в домашней аптечке припасен пузырек борной кислоты, может считать, что у него есть собственный энергетический резерв на будущее.

Литература

Бронштейн М. П. Солнечное вещество. - Терра-книжный клуб, 2002.

Лунный грунт из моря изобилия. - М.: Наука, 1974.

Подписи к иллюстарциям

Илл. 1. Гелиевый цикл реакций ядерного синтеза начинается со слияния двух протонов в ядро дейтерия. На следующих этапах образуются более сложные ядра. Выпишем несколько первых наиболее простых реакций, которые понадобятся нам в дальнейшем.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p или
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
Скорость реакции определяется вероятностью преодоления электростатического барьера при сближении двух положительно заряженных ионов и вероятностью собственно слияния ядер (так называемым сечением взаимодействия). В частности, чем выше кинетическая энергия ядра и чем меньше его электрический заряд, тем больше шансов пройти электростатический барьер и тем выше скорость реакции (см. график). Ключевой параметр теории термоядерной энергетики - критерий зажигания реакции - определяет, при какой плотности и температуре плазменного топлива энергия, выделяемая при синтезе (пропорциональная скорости реакции, умноженной на плотность плазмы и время горения), превысит затраты на нагрев плазмы с учетом потерь и коэффициента полезного действия. Наибольшая скорость у реакции дейтерия и трития, и, чтобы достичь зажигания, плазму с концентрацией около 10 14 см -3 необходимо нагреть до полутора сотен миллионов градусов и удерживать 1-2 секунды. Чтобы добиться положительного баланса энергии в реакциях на других компонентах - гелии-3 или боре, меньшую скорость надо компенсировать, в десятки раз увеличивая температуру и плотность плазмы. Зато при удачном столкновении двух ядер выделяется энергия, в тысячу раз превосходящая энергию, потраченную на их нагрев. Начальные реакции гелиевого цикла, образующие дейтерий и тритий в солнечном ядре, идут настолько медленно, что соответствующие кривые в поле этого графика не попали.

Илл. 2. Солнечный ветер - это поток разреженной плазмы, постоянно истекающей с солнечной поверхности в межпланетное пространство. Ветер уносит всего лишь около 3х10 -14 солнечной массы в год, но именно он оказывается основным компонентом межпланетной среды, вытесняющим межзвездную плазму из окрестностей Солнца. Так создается гелиосфера - своеобразный пузырек радиусом примерно в сто астрономических единиц, движущийся вместе с Солнцем через межзвездный газ. К ее границе сейчас, как надеются астрономы, подлетают американские спутники "Вояджер-1" и "Вояджер-2", которые скоро станут первыми космическими аппаратами, покинувшими пределы Солнечной системы. Впервые солнечный ветер обнаружила советская межпланетная станция "Луна-2" в 1959 году, однако косвенные свидетельства о наличии корпускулярного потока, идущего от Солнца, были известны и ранее. Именно солнечному ветру жители Земли обязаны магнитными бурями (см. "Наука и жизнь" № 7, 2001 г.). У орбиты Земли ветер содержит в среднем всего лишь шесть ионов на один кубический сантиметр, движущихся с умопомрачительной скоростью 450 км/с, что, впрочем, по масштабам Солнечной системы не так уж и быстро: на путешествие до Земли уходит трое суток. Солнечный ветер на 96% состоит из протонов и на 4% из ядер гелия. Примесь других элементов незначительна.

Илл. 3. Лунный реголит - это довольно рыхлый слой на поверхности Луны толщиной в несколько метров. В основном он состоит из мелких обломков со средним размером меньше миллиметра, накопившихся в течение миллиардов лет в результате разрушения лунных пород при перепадах температуры и ударах метеоритов. Исследования лунного грунта показали, что, чем больше в реголите окислов титана, тем больше и атомов гелия.

Илл. 4. Наличие титана в приповерхностном слое достаточно легко обнаруживается при дистанционном спектроскопическом анализе (красный цвет на правом изображении рисунка, полученном спутником "Клементина"), и, таким образом, получается карта "месторождений" гелия, которые, в общем, совпадают с расположением лунных морей.

Илл. 5. Чтобы добыть одну тонну гелия-3, нужно переработать поверхностный слой реголита на площади не менее 100 квадратных километров. Попутно удастся получить и значительное количество других газов, которые пригодятся для обустройства жизни на Луне. Рисунки взяты с сайта

ГИПОТЕЗЫ, ФАКТЫ, РАССУЖДЕНИЯ

Лунный Гелий-3 - термоядерное горючее будущего.

Комментарий автора сайта: С активацией американской Лунной космической программы всё чаще приходится слышать о том, что наряду с наличием воды, на Луне находятся огромные запасы изотопа гелия-3 - топлива ядерной энергетики будущего. Так ли это, какие перспективы это сулит человечеству, нужно ли вообще нам исследовать Луну и каким образом это можно осуществить - вот только небольшой перечень вопросов, ответы на которые Вы узнаете в данной статье, являющейся главой "Гелий-3" из книги академика РАН Эрика Михайловича Галимова "Замыслы и просчёты: Фундаментальные космические исследования в России последнего двадцатилетия. Двадцать лет бесплодных усилий."

Тот факт, что Луна обогащена гелием-3, известен с тех пор, как на Землю было впервые доставлено лунное вещество. В образцах лунного грунта, привезенных американскими астронавтами в ходе экспедиций «Аполлон» и доставленных советскими автоматическими аппаратами «Луна», относительная концентрация изотопа гелия 3 Не (отношение 3 Не/ 4 Не) оказалась в тысячу раз выше, чем в земном гелии. Это - результат облучения незащищенной атмосферой поверхности Луны корпускулярным излучением Солнца. В течение миллиардов лет в поверхностный пылевидный слой (реголит) Луны внедряются атомы элементов, испускаемых Солнцем, больше всего - водород и гелий в изотопном соотношении, присущем Солнцу. Другой факт - что 3 Не является эффективным термоядерным горючим - известен был физикам ещё раньше. Однако никакого практического вывода из этих фактов в те годы не делалось. Земная энергетика обеспечивалась за счёт быстро развивающейся добычи нефти и газа. Атомная энергетика базировалась на доступном урановом сырье. Управляемый термоядерный синтез не был осуществлен даже на более простой реакции дейтерия с тритием. На Земле гелий-3 в промышленных количествах отсутствует.

В конце 80-х - начале 90-х гг. появились публикации о возможном использовании Луны в качестве источника энергии для Земли. Предлагались, например, проекты передачи на Землю собранной на поверхности Луны солнечной энергии в форме сфокусированного высокочастотного луча. Высказывалась и идея добычи и доставки лунного гелия-3. Энтузиастом этой идеи, в частности, был побывавший на Луне американский астронавт Гарольд Шмидт. Он написал серьезную книгу о возможности использования гелия-3.

Призывая вернуться к исследованиям Луны, я помимо конкретной и актуальной задачи исследования внутреннего строения Луны, постоянно упоминал в качестве задачи, которую нужно иметь в виду в качестве отдаленной перспективы, освоение ресурсов лунного гелия-3.

Я думаю, что сегодня мы не предвидим в полной мере того, что даст нам освоение Луны, и потому приступаем к этому неуверенно, робко и с задержкой. Мне не раз приходилось писать о том, что исследование Луны имеет большое значение для фундаментальной геологии. Реконструкция ранней истории Земли, возникновения на ней атмосферы, океанов и жизни, невозможна без изучения Луны. Хотя бы просто потому, что следы первых 500-600 млн. лет истории Земли полностью стерты в ее геологической летописи, а на Луне они сохранились. И потому что Луна и Земля представляют генетически единую систему.

Гелий-три. Странное и непонятное словосочетание. Тем не менее чем дальше, тем больше мы будем слышать его. Потому что, по мнению специалистов, именно гелий-три спасет наш мир от надвигающегося энергетического кризиса. И в этом предприятии активнейшая роль отводится России.

Луна

Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза дейтерий-тритий, хотя и более безопасна, чем энергетика деления ядра атома, которая используется на современных АЭС, все же имеет ряд существенных недостатков.

• Во-первых , при этой реакции выделяется куда большее (на порядок!) число высокоэнергетичных нейтронов. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет - при том, что имеет смысл делать реактор с ресурсом как минимум в 30 лет. Следовательно, первую стенку тритиевого термоядерного реактора будет необходимо заменять - а это очень сложная и дорогостоящая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок.
• Во-вторых , от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора, что усложняет и, соответственно, удорожает конструкцию.
• В-третьих , многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилищах.

В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз - соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30-40 лет. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землей.

В чем же проблема? Почему мы до сих пор не используем такое выгодное термоядерное топливо?

Прежде всего, потому, что на нашей планете этого изотопа чрезвычайно мало. Рождается он на Солнце, отчего иногда называется «солнечным изотопом». Его общая масса там превышает вес нашей планеты. В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого ветра, а потому гелий-3 составляет лишь одну триллионную часть земной атмосферы - примерно 4000 т. На самой Земле его еще меньше - около 500 кг.

На Луне этого изотопа значительно больше. Там он вкрапляется в лунный грунт «реголит», по составу напоминающий обычный шлак. Речь идет об огромных - практически неисчерпаемых запасах!

Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями «Аполлон», и двух образцов, доставленных советскими автоматическими станциями «Луна », показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится до 106 т гелия-3, что обеспечило бы потребности земной энергетики, даже увеличенной по сравнению с современной в несколько раз, на тысячелетие! По современным прикидкам, запасы гелия-3 на Луне на три порядка больше - 109 т.

Кроме Луны, гелий-3 можно найти в плотных атмосферах планет-гигантов, и, по теоретическим оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 1020 т, чего хватило бы для энергетики Земли до скончания времен.

Проекты добычи гелия-3

Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100 000 т реголита.

Следовательно для того, чтобы добыть драгоценный изотоп, необходимо переработать огромное количество рассыпчатого лунного грунта.

С учетом всех особенностей технология добычи гелия-3 должна включать следующие процессы:

1. Добыча реголита.

Специальные «комбайны» будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или перерабатывать непосредственно в процессе добычи.

2. Выделение гелия из реголита.

При нагреве реголита до 600?С выделяется (десорбируется) 75% содержащегося в реголите гелия, при нагреве до 800?С - почти весь гелий. Нагрев пыли предлагается вести в специальных печах, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами.

3. Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования.

При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ, - которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.

Проект первого лунного комбайна, предназначенного для переработки реголита и выделения из него изотопа гелия-3, был предложен еще группой Дж.Кульчински. В настоящее время частные американские компании разрабатывают несколько прототипов, которые, видимо, будут представлены на конкурс после того, как НАСА определится с чертами будущей экспедиции на Луну.

Понятно, что, кроме доставки комбайнов на Луну, там придется возвести хранилища, обитаемую базу (для обслуживания всего комплекса оборудования), космодром и многое другое. Считается, тем не менее, что высокие затраты на создание развитой инфраструктуры на Луне окупятся сторицей в плане того, что грядет глобальный энергетический кризис, когда от традиционных видов энергоносителей (уголь, нефть, природный газ) придется отказаться.

Главная технологическая проблема

На пути к созданию энергетики на основе гелия-3 есть одна немаловажная проблема. Дело в том, что реакцию дейтерий-гелий-3 осуществить гораздо сложнее, чем реакцию дейтерий-тритий.

В первую очередь, необычайно трудно поджечь смесь этих изотопов. Расчетная температура, при которой пойдет термоядерная реакция в дейтерий-тритиевой смеси, - 100-200 миллионов градусов. При использовании гелия-3 требуемая температура на два порядка выше. Фактически мы должны зажечь на Земле маленькое солнце.

Однако история развития ядерной энергетики (последние полвека) демонстрирует увеличение генерируемых температур на порядок в течение 10 лет. В 1990 году на европейском токамаке JET уже жгли гелий-3, при этом полученная мощность составила 140 кВт. Примерно тогда же на американском токамаке TFTR была достигнута температура, необходимая для начала реакции в дейтерий-гелиевой смеси.

Впрочем, зажечь смесь еще полдела. Минус термоядерной энергетики - сложность получения практической отдачи, ведь рабочим телом является нагретая до многих миллионов градусов плазма, которую приходится удерживать в магнитном поле.

Эксперименты по приручению плазмы проводятся уже многие десятилетия, но лишь в конце июня прошлого года в Москве представителями ряда стран было подписано соглашение о строительстве на юге Франции в городе Кадараш Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) - прототипа практической термоядерной электростанции. В качестве топлива ITER будет использовать дейтерий с тритием.

Термоядерный реактор на гелии-3 будет конструктивно сложнее, чем ITER, и пока его нет даже в проектах. И хотя специалисты надеются, что прототип реактора на гелии-3 появится в ближайшие 20-30 лет, пока эта технология остается чистейшей фантастикой.

Вопрос добычи гелия-3 анализировался экспертами в ходе слушаний по вопросам будущего исследования и освоения Луны, состоявшихся в апреле 2004 года в Подкомитете по космосу и аэронавтике комитета по науке палаты депутатов Конгресса США. Их вывод был однозначен: даже в отдаленном будущем добыча гелия-3 на Луне совершенно невыгодна.

Как отметил Джон Логсдон, директор Института космической политики из Вашингтона: «Космическое сообщество США не рассматривает добычу гелия-3 в качестве серьезного предлога для возвращения на Луну. Лететь туда за этим изотопом все равно что пятьсот лет назад отправить Колумба в Индию за ураном. Привезти-то он его может, и привез бы, только еще несколько сотен лет никто не знал бы, что с ним делать».

Добыча гелия-3 как национальный проект

«Мы говорим сейчас о термоядерной энергетике будущего и новом экологическом типе топлива, которое нельзя добыть на Земле. Речь идет о промышленном освоении Луны для добычи гелия-3».

Это высказывание главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова было воспринято российскими научными обозревателями как заявка на формирование нового «национального проекта».

Ведь по сути, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед обществом задач на грани воображения. Это касалось и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек.

Сегодня в РФ государство пытается, но не может сформулировать задачи на грани невозможного. Государству нужно, чтобы кто-то показал ему общенациональный проект и обосновал выгоды, которые из этого проекта в теории проистекают. Программа освоения и добычи гелия-3 с Луны на Землю с целью снабжения термоядерной энергетики топливом идеально отвечает этим требованиям.

«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, - подчеркнул в интервью доктор физико-математических наук, ученый секретарь Института космических исследований РАН Александр Захаров. - Может быть, из-за этого и возникли в последнее время все эти разговоры о добыче на Луне гелия-3 для термоядерной энергетики. Если Луна - источник полезных ископаемых, и оттуда везти этот гелий-3, а на Земле не хватает энергии… Все это понятно, звучит очень красиво. И под это легко, может быть, уговорить влиятельных людей выделить деньги. Я думаю, что это так».