Proći će dosta vremena, po standardima života ljudske civilizacije, jer će fosilni prirodni resursi biti iscrpljeni. Među mogućim kandidatima za zamjenu nafte i plina su ili solarna energija, ili energija vjetra, ili vodonik. Poslednjih godina sve češće se može čuti o novom spasenju planete pod nazivom helijum-3. Da se ova tvar može koristiti kao sirovina za elektrane razmišljalo se relativno nedavno.

Opšti podaci o supstanci: svojstva

Godine 1934. australijski fizičar Mark Oliphant, dok je radio u Cavendish laboratoriji na Univerzitetu Kembridž u Engleskoj, došao je do izuzetnog otkrića. Tokom prve demonstracije nuklearne fuzije bombardiranjem deuteronske mete, on je pretpostavio postojanje novog izotopa hemijskog elementa broj 2. Danas je poznat i kao helijum-3.

Ima sljedeće svojstva:

• Sadrži dva protona, jedan neutron i dva elektrona;
• Među svim poznatim elementima, to je jedini stabilni izotop koji ima više protona nego neutrona;
• Vri na 3,19 Kelvina (-269,96 stepeni Celzijusa). Tokom ključanja, supstanca gubi polovinu svoje gustine;
• Ugaoni moment je ½, što ga čini fermionom;
• Latentna toplota isparavanja je 0,026 kJ/mol;

Pet godina nakon otkrića Marka Olifanta, njegove teorijske konstrukcije dobile su eksperimentalnu potvrdu. I nakon 9 godina, naučnici su uspjeli dobiti spoj in tečni oblik . Kako se ispostavilo, u ovom stanju agregacije, helijum-3 ima superfluidna svojstva.

Drugim riječima, na temperaturama blizu apsolutne nule, sposoban je prodrijeti kroz kapilare i uske proreze bez ikakvog otpora od trenja.

Ekstrakcija helijuma-3 na Mjesecu

Tokom milijardi godina, solarni vetar je taložio ogromnu količinu helijuma-3 u površinski sloj regolita. Prema procjenama, njegova količina na Zemljinom satelitu može dostići 10 miliona tona.

Mnoge svemirske sile imaju program za ekstrakciju ove supstance za potrebe naknadne termonuklearne fuzije:

• U januaru 2006. godine ruska kompanija Energia objavila je planove za početak geoloških radova na Mjesecu do 2020. godine. Danas je budućnost projekta u limbu zbog teške ekonomske situacije u zemlji;
• Indijska organizacija za svemirska istraživanja poslala je 2008. sondu na površinu Zemljinog satelita, čiji je jedan od ciljeva bio proučavanje minerala koji sadrže helijum;
• Kina takođe ima svoje stavove o nalazištima dragocjenih sirovina. Prema planovima, trebalo bi da šalje tri šatla ka satelitu godišnje. Energija proizvedena iz ovog goriva će više nego pokriti potrebe cijelog čovječanstva.

Za sada je to san koji se može vidjeti samo u naučnofantastičnim filmovima. Među njima su "Mesec" (2009) i "Iron Sky" (2012).

U ovom videu, fizičar Boris Romanov će vam reći u kakvom je obliku helijum-3 na Mesecu i da li ga je moguće uvesti odatle:

Geohemijski podaci

Izotop je prisutan i na planeti Zemlji, ali u manjim količinama:

• Ovo je glavna komponenta Zemljinog omotača, koja je sintetizovana tokom formiranja planete. Njegova ukupna masa u ovom dijelu planete je, prema različitim procjenama, od 0,1 do 1 milion tona;
• Izbija na površinu kao rezultat aktivnosti vulkana. Dakle, brda Havajskih ostrva emituju oko 300 grama ove supstance godišnje. Srednjookeanski grebeni - oko 3 kilograma;
• Stotine hiljada tona izotopa helijuma može se naći na mjestima gdje se jedna litosferska ploča sudara s drugom. Ovo bogatstvo nije moguće industrijski izvući u sadašnjoj fazi tehnološkog razvoja;
• Priroda nastavlja da proizvodi ovo jedinjenje do sada, kao rezultat raspadanja radioaktivnih elemenata u kori i plaštu;
• Može se naći u prilično malim količinama (do 0,5%) u nekim izvorima prirodnog gasa. Prema procjenama stručnjaka, godišnje se u procesu transporta prirodnog gasa izdvoji 26 m 3 helijuma-3;
• Prisutan je i u zemljinoj atmosferi. Njegova specifična frakcija je otprilike 7,2 dijela na trilion atoma drugih atmosferskih plinova. Prema posljednjim procjenama, ukupna masa atmosferskog 3 2 on dostiže najmanje 37 hiljada tona.

Moderna upotreba supstance

Gotovo cijeli izotop koji se koristi u nacionalnoj ekonomiji dobiva se radioaktivnim raspadom tritijuma, koji je bombardiran litijum-6 neutronima u nuklearnom reaktoru.

Decenijama helijum-3 je bio samo nusproizvod u proizvodnji nuklearnih bojevih glava. Međutim, nakon potpisivanja ugovora START-1 1991. godine, supersile su smanjile proizvodnju projektila, zbog čega su i proizvodi proizvodnje opali.

Danas je obim proizvodnje izotopa u porastu, jer je pronašao nove namjene:

1. Zbog relativno visokog žiromagnetnog omjera, čestice ove supstance se koriste u medicinskoj tomografiji pluća. Pacijent udiše plinsku mješavinu koja sadrži hiperpolarizirane atome helijuma-3. Zatim, pod uticajem infracrvenog laserskog zračenja, kompjuter crta anatomske i funkcionalne slike organa;
2. U naučnim laboratorijama ovo jedinjenje se koristi u kriogene svrhe. Isparavanjem s površine hladnjaka moguće je postići vrijednosti blizu 0,2 kelvina;
3. Posljednjih godina ideja o korištenju tvari kao sirovine za elektrane postaje sve popularnija. Prva takva instalacija izgrađena je 2010. godine u dolini Tennessee (SAD).

Helijum-3 kao gorivo

Drugi, revidirani pristup korištenju kontrolirane termonuklearne energije uključuje korištenje 3 2 he i deuterijuma kao sirovina. Rezultat takve reakcije bit će ion helijuma-4 i visokoenergetski protoni.

Teoretski, ova tehnologija ima sljedeće prednosti:

1. Visoka efikasnost, budući da se elektrostatičko polje koristi za kontrolu fuzije jona. Kinetička energija protona se direktno pretvara u električnu energiju kroz konverziju čvrstog stanja. Nema potrebe za izgradnjom turbina, koje se koriste u nuklearnim elektranama za pretvaranje energije protona u toplinu;
2. Niži, u poređenju sa drugim tipovima elektrana, kapitalni i operativni troškovi;
3. Ni vazduh ni voda nisu zagađeni;
4. Relativno male dimenzije zbog upotrebe modernih kompaktnih jedinica;
5. Nema radioaktivnog goriva.

Međutim, kritičari primjećuju značajnu "vlažnost" takve odluke. U najboljem slučaju komercijalna upotreba fuzije neće početi do 2050.

Među svim izotopima hemijskog elementa sa serijskim brojem 2, helijum-3 se izdvaja. Ono što je to može se ukratko opisati sljedećim svojstvima: stabilno je (tj. ne podliježe transformacijama kao rezultat zračenja), ima superfluidna svojstva u tečnom obliku i ima relativno malu masu.

Video o formiranju helijuma-3 u svemiru

U ovom videu, fizičar Daniil Potapov će vam reći kako je nastao helijum-3 u Univerzumu, kakvu je ulogu imao u formiranju Univerzuma:

Moguće je da ćemo u narednim godinama svjedočiti Lunarnoj trci-2, čiji će pobjednik (ili pobjednici) dobiti u ruke gotovo neiscrpni izvor energije. To će, pak, omogućiti čovječanstvu da uđe u kvalitativno novi tehnološki poredak, čije parametre možemo samo nagađati.

Šta je helijum-3?

Iz školskog kursa fizike sjećamo se da je atomska masa helijuma četiri i da je ovaj element inertni plin. Problematično ga je koristiti u bilo kakvim kemijskim reakcijama, posebno kod oslobađanja energije. Sasvim druga materija je izotop helija s atomskom masom 3. Sposoban je ući u termonuklearnu reakciju s deuterijem (izotop vodika s atomskom masom 2), uslijed čega se stvara gigantska energija zbog sinteza običnog helijuma-4 sa oslobađanjem protona (3 He + D → 4 Not + p + energija). Slično, od samo jednog grama helijuma-3 možete dobiti istu energiju kao kada sagorite 15 tona nafte.

Tone helijuma-3 biće dovoljne za oslobađanje energije na nivou od 10 GW tokom godine. Tako će za pokrivanje svih trenutnih energetskih potreba Rusije biti potrebno 20 tona helijuma-3 godišnje, a za cijelo čovječanstvo oko 200 tona ovog izotopa godišnje. Istovremeno, neće biti potrebe za sagorevanjem nafte i gasa, čije rezerve nisu neograničene, prema poslednjim procenama istraženih rezervi ugljovodonika - čovečanstvu će biti dovoljno samo za pola veka. Također neće biti potrebno raditi prilično opasne nuklearne elektrane, koje su nakon Černobila i Fukušime dobile posebnu važnost.

Gdje nabaviti helijum-3?

Sa modernim razvojem tehnologije, jedini zaista dostupan izvor ovog elementa je površina mjeseca. Sam po sebi, helijum-3 nastaje u dubinama zvijezda (na primjer, našeg Sunca) kao rezultat kombinacije dva atoma vodika.

U ovom slučaju, glavni proizvod ove reakcije je obični helijum-4, a izotop-3 nastaje u malim količinama. Deo toga nosi solarni vetar i ravnomerno je raspoređen po planetarnom sistemu.

Helij-3 praktički ne pada na Zemlju, jer se njegovi atomi odbijaju od magnetnog polja naše planete. Ali na planetama koje nemaju takvo polje, element se taloži u gornjim slojevima tla i postepeno se akumulira. Najbliže nebesko tijelo Zemlji, koje nema magnetno polje, je Mjesec, pa su upravo tu koncentrisane rezerve ovog vrijednog energetskog nositelja dostupnog čovječanstvu.

To potvrđuju ne samo teorijski proračuni, već i rezultati empirijskih studija. U svim uzorcima lunarnog tla dostavljenim na Zemlju, helijum-3 je pronađen u relativno visokim koncentracijama. U prosjeku, na 100 tona regolita dolazi 1 g. dati energetski izotop.

Dakle, da bi se izvuklo pomenutih 20 tona helijuma-3 da bi se u potpunosti podmirile godišnje energetske potrebe Ruske Federacije, biće potrebno „odbaciti” 2.000 miliona tona lunarnog tla.

Fizički, ovo odgovara lokalitetu na Mjesecu dimenzija 20x20 km sa dubinom kamenoloma od 3 m. Zadatak organizacije ovako velikog rudarenja prilično je težak, ali sasvim rješiv, sigurni su savremeni inženjeri. Po svemu sudeći, dovođenje desetina tona goriva za fuzijske peći na Zemlju će postati teži i skuplji problem.

Šta čovječanstvu nedostaje za revoluciju helijumske energije?

Za razvoj na Zemlji punopravne termonuklearne energije na bazi helijuma-3 ljudi moraju riješiti tri glavna zadatka.

1. Stvaranje pouzdanih i moćnih sredstava za dostavu tereta na ruti Zemlja-Mjesec i nazad.

2. Izgradnja lunarnih baza i kompleksa za ekstrakciju helijuma-3, što je povezano sa mnogim tehnološkim problemima.

3. Izgradnja stvarnih termonuklearnih elektrana na Zemlji, za koje će se morati savladati i određene tehnološke barijere.

Da bi riješio prvi problem, čovječanstvo se skoro približilo. Sve četiri zemlje koje učestvuju u Moon Race 2 plus Evropska unija već su razvile ili razvijaju rakete teške klase sposobne da izbace tone tereta u lunarnu orbitu. Na primjer, do 2027. Rusija planira hardversko implementirati raketu-nosač Angara-A5V, koja će biti sposobna da isporuči najmanje 10 tona korisnog tereta na Mjesec. Biće lakše sa povratnim transportom, jer je gravitacija Meseca 6 puta manja od Zemljine, ali će gorivo ovde biti problem. Morat će biti uvezen sa Zemlje ili proizveden na površini našeg satelita.

Drugi zadatak je mnogo ozbiljniji, jer osim organizacije stvarnog vađenja helijuma-3 iz regolita, inženjeri će morati da stvore pouzdane lunarne baze sa sistemima za održavanje života za rudare budućnosti. To će uvelike pomoći tehnologijama razvijenim kroz dugogodišnji rad orbitalnih stanica, prije svega ISS-a i Mira. I u Rusiji iu drugim zemljama, lunarne baze se danas aktivno projektuju i, možda, naša zemlja danas ima maksimalnu tehnologiju za stvarnu implementaciju takvih projekata.

Što se tiče trećeg problema, na Zemlji se već tri decenije radi na stvaranju termonuklearnih reaktora. Glavna tehnološka poteškoća ovdje je problem zadržavanja visokotemperaturne plazme (neophodne za "paljenje" termonuklearne fuzije) u tzv. "magnetne zamke".

Ovo pitanje je već riješeno za reaktore koji rade na principu kombinovanja deuterija i tricijuma (D + T = 4 He + n + energija). Za održavanje takve reakcije dovoljna je temperatura od 100 miliona stepeni.

Međutim, takvi reaktori nikada neće postati masovno proizvedeni, jer su izuzetno radioaktivni. Da bi se pokrenula reakcija koja uključuje helijum-3 i deuterijum, potrebne su temperature od 300-700 miliona stepeni. Do sada se takva plazma ne može dugo zadržati u magnetnim zamkama, ali je moguće da će proboj u ovoj oblasti rezultirati lansiranjem Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER), koji se trenutno gradi u Francuskoj i koji će biti pušten u rad do 2025.

Dakle, decenija između 2030-2040. ima sve šanse da bude početna tačka u razvoju energije zasnovane na helijumu-3, jer će do tog vremena, očigledno, gore navedene tehnološke prepreke biti prevaziđene. Shodno tome, ostaje da se pronađe novac za realizaciju energetskog projekta koji može prevesti čovečanstvo u eru izuzetno jeftine (gotovo besplatne) energije sa svim posledicama koje iz toga proizilaze, kako po ekonomiju tako i po kvalitet života svakog čoveka.

Kandidat fizičko-matematičkih nauka A. PETRUKOVYCH.

Lakom rukom američkog predsjednika, krajem 2003. godine, na dnevni red stavljeno je pitanje novih ciljeva za čovječanstvo u svemiru. Cilj izgradnje stanice s ljudskom posadom na Mjesecu, između ostalih prijedloga, dijelom je zasnovan na primamljivoj ideji korištenja jedinstvenih lunarnih rezervi helijuma-3 za proizvodnju energije na Zemlji. Da li je lunarni helijum koristan ili ne, budućnost će pokazati, ali priča o njemu je prilično fascinantna i omogućava nam da svoje znanje o strukturi atomskog jezgra i Sunčevog sistema uporedimo sa praktičnim aspektima energetike i rudarstva.

Nauka i život // Ilustracije

Nauka i život // Ilustracije

Nauka i život // Ilustracije

Nauka i život // Ilustracije

Nauka i život // Ilustracije

Nauka i život // Ilustracije

Nauka i život // Ilustracije

ZAŠTO? ILI NUKLEARNA FUZIJA - ALHEMIJA U STVARNOSTI

Pretvaranje olova u zlato bio je san srednjovjekovnih alhemičara. Kao i uvijek, ispostavilo se da je priroda bogatija od ljudskih fantazija. Reakcije nuklearne fuzije stvorile su čitav niz hemijskih elemenata, postavljajući materijalne temelje našeg svijeta. Međutim, fuzija može pružiti i nešto mnogo vrijednije od zlata – energiju. Nuklearne reakcije su u tom smislu slične kemijskim reakcijama (tj. reakcijama molekularne transformacije): svaku sastavnu supstancu, bilo da je riječ o molekuli ili atomskom jezgru, karakterizira energija vezivanja koja se mora potrošiti da bi se jedinjenje uništilo, a koja je oslobađa kada se formira. Kada je energija vezivanja produkta reakcije veća od one kod početnih materijala, reakcija se nastavlja oslobađanjem energije, a ako naučite kako je uzeti u ovom ili onom obliku, početni materijali se mogu koristiti kao gorivo. Od hemijskih procesa, najefikasnija je u tom smislu, kao što znate, reakcija interakcije sa kiseonikom - sagorevanje, koje danas služi kao glavni i nezamenljivi izvor energije u elektranama, u transportu i u svakodnevnom životu (čak i više). energija se oslobađa tokom reakcije fluora, posebno molekularnog fluora, sa vodonikom; međutim, i sam fluor i fluorovodonik su izuzetno agresivne supstance).

Energija vezivanja protona i neutrona u jezgru je mnogo veća od one koja veže atome u molekule, a može se doslovno izmjeriti pomoću Einsteinove velike formule E = mc 2: masa atomskog jezgra je primjetno manja od mase pojedinačnih protona i neutrona koji ga čine. Dakle, tona nuklearnog goriva zamjenjuje mnogo miliona tona nafte. Međutim, fuzija se s razlogom naziva termonuklearna fuzija: da bi se prevladalo elektrostatičko odbijanje kada se dva pozitivno nabijena atomska jezgra približe jedno drugom, potrebno ih je pravilno ubrzati, odnosno zagrijati nuklearno gorivo na stotine miliona stupnjeva. (podsjetimo da je temperatura mjera kinetičke energije čestica). Zapravo, na takvim temperaturama više nemamo posla s plinovima ili tekućinama, već s četvrtim agregatnim stanjem - plazmom, u kojoj nema neutralnih atoma, već samo elektrona i jona.

U prirodi takvi uslovi pogodni za fuziju postoje samo u unutrašnjosti zvijezda. Sunce duguje svoju energiju takozvanom helijumskom ciklusu reakcija: sintezi jezgra helijuma-4 iz protona. U gigantskim zvijezdama i u eksplozijama supernove, također se rađaju teži elementi, formirajući tako čitav niz elemenata u svemiru. (Istina, vjeruje se da je dio helijuma mogao nastati neposredno pri rođenju Univerzuma, tokom Velikog praska.) U tom smislu, Sunce nije najefikasniji generator, jer gori dugo i polako: proces se usporava prvom i najsporijom reakcijom fuzije deuterija iz dva protona. Sve sljedeće reakcije su mnogo brže i odmah proždiru raspoloživi deuterijum, prerađujući ga u jezgra helijuma u nekoliko faza. Kao rezultat toga, čak i ako pretpostavimo da samo stoti dio sunčeve materije u njenom jezgru učestvuje u fuziji, oslobađanje energije iznosi samo 0,02 vata po kilogramu. Međutim, upravo tu sporost, objašnjenu prvenstveno malom, po zvjezdanim standardima, masom svjetiljke (Sunce spada u kategoriju potpatuljaka) i osiguravanjem postojanosti toka sunčeve energije dugi niz milijardi godina dugujemo samog postojanja života na Zemlji. Kod gigantskih zvijezda transformacija materije u energiju je mnogo brža, ali kao rezultat toga, one se potpuno izgore za desetine miliona godina, a da nemaju vremena da pravilno steknu planetarne sisteme.

Odlučivši da termonuklearnu fuziju izvrši u laboratoriji, čovjek će na ovaj način nadmudriti prirodu, stvarajući efikasniji i kompaktniji generator energije od Sunca. Međutim, možemo izabrati mnogo lakše implementiranu reakciju - sintezu helijuma iz smjese deuterij-tricij. Planirano je da projektirani međunarodni termonuklearni reaktor - ITER tokamak bude u stanju da dostigne prag paljenja, od kojeg je, međutim, još uvijek jako, jako daleko od komercijalne upotrebe termonuklearne energije (vidi "Nauka i život" br. ,, 2001). Glavni problem, kao što znate, je održati plazmu zagrijanom na željenu temperaturu. Budući da nijedan zid na takvoj temperaturi ne može izbjeći uništenje, oni pokušavaju zadržati oblak plazme magnetnim poljem. U hidrogenskoj bombi problem se rješava eksplozijom malog atomskog naboja, koji komprimira i zagrijava smjesu do potrebnog stanja, ali ova metoda nije baš pogodna za mirnu proizvodnju energije. (O izgledima tzv. eksplozivne energije, vidi "Nauka i život" br. 7, 2002.)

Glavni nedostatak reakcije deuterijum-tricijum je visoka radioaktivnost tricijuma, čije je vreme poluraspada samo 12,5 godina. Ovo je najprljavija reakcija na zračenje, toliko da će u industrijskom reaktoru unutrašnje zidove komore za izgaranje trebati mijenjati svakih nekoliko godina zbog radijacijskog uništavanja materijala. Istina, najštetniji radioaktivni otpad, koji zbog dugog vremena raspadanja zahtijeva neograničeno zakopavanje duboko pod zemljom, uopće ne nastaje prilikom sinteze. Drugi problem je što se oslobođena energija uglavnom odnosi na neutrone. Ove električno nenabijene čestice ne primjećuju elektromagnetno polje i slabo komuniciraju s materijom općenito, pa im nije lako uzeti energiju.

Reakcije fuzije bez tricija, poput onih koje uključuju deuterijum i helijum-3, praktički su sigurne od zračenja jer koriste samo stabilne jezgre i ne proizvode nezgodne neutrone. Međutim, da bi se ovakva reakcija „zapalila“, potrebno je, da bi se nadoknadila manja brzina fuzije, zagrijati plazmu deset puta više – do milijardu stepeni (istovremeno rješavajući problem njenog zadržavanja)! Stoga se danas takve opcije smatraju osnovom za buduće termonuklearne reaktore druge generacije, nakon deuterijum-tricijumskog. Međutim, ideja o ovoj alternativnoj termonuklearnoj energiji stekla je neočekivane saveznike. Zagovornici kolonizacije svemira smatraju helijum-3 jednim od glavnih ekonomskih ciljeva lunarne ekspanzije, koji bi trebao osigurati potrebu čovječanstva za čistom termonuklearnom energijom.

GDJE? ILI SUNČANI GOST

Na prvi pogled ne bi trebalo biti problema s tim gdje nabaviti helijum: on je drugi najzastupljeniji element u svemiru, a relativni sadržaj svjetlosnog izotopa u njemu je nešto manji od jedne hiljaditi dio. Međutim, za Zemlju je helijum egzotičan. To je vrlo isparljiv plin. Zemlja ga ne može zadržati svojom gravitacijom, a gotovo sav primarni helijum koji je pao na nju iz protoplanetarnog oblaka tokom formiranja Sunčevog sistema vratio se iz atmosfere nazad u svemir. Čak je i helijum prvi put otkriven na Suncu, zbog čega je i dobio ime po starogrčkom bogu Heliosu. Kasnije je pronađen u mineralima koji sadrže radioaktivne elemente i konačno uhvaćen u atmosferi među ostalim plemenitim plinovima. Zemaljski helijum uglavnom nije kosmičkog, već sekundarnog, radijacijskog porijekla: tokom raspada radioaktivnih hemijskih elemenata izlijeću alfa čestice - jezgra helijuma-4. Helij-3 ne nastaje na ovaj način, pa je stoga njegova količina na Zemlji zanemarljiva i doslovno se računa u kilogramima.

Možete nabaviti helijum kosmičkog porijekla (sa relativno visokim sadržajem helijuma-3) u atmosferama Urana ili Neptuna - planeta dovoljno velikih da zadrže ovaj svjetlosni plin, ili na Suncu. Pokazalo se da je lakše približiti se solarnom helijumu: cijeli međuplanetarni prostor ispunjen je solarnim vjetrom, u kojem 70 hiljada protona čini 3000 alfa čestica - jezgra helijuma-4 i jedno jezgro helijuma-3. Ovaj vjetar je izuzetno rijedak, po zemaljskim mjerilima to je pravi vakuum i nemoguće ga je uhvatiti „mrežom“ (vidi Nauka i Zhizn, br. 7, 2001.) atmosfere, na primjer, na Mjesecu i , dakle, moguće je isprazniti neku prirodnu zamku koja se redovno dopunjavala u protekle četiri milijarde godina.Kao rezultat bombardovanja plazme, nekoliko stotina miliona tona helijuma-3 palo je na Mesec za to vreme.Ako bi sve solarne vjetar je ostao na površini Mjeseca, tada bi pored 5 grama helijuma-3, na svaki kvadratni metar površine bilo u prosjeku još 100 kilograma vodonika i 16 helijuma-4. Od ove količine, moglo bi se stvoriti sasvim pristojna atmosfera, samo malo razrijeđena od Marsovske, ili okean tečnog plina dubok dva metra!

Međutim, na Mjesecu nema ništa slično, a samo vrlo mali dio jona solarnog vjetra ostaje zauvijek u gornjem sloju mjesečevog tla - regolitu. Studije lunarnog tla koje su na Zemlju donijele sovjetske stanice Luna i američki Apollos pokazale su da helij-3 u njemu čini otprilike 1/100-milionitog dijela, odnosno 0,01 grama po 1 toni. A ukupno, na Mjesecu ima oko milion tona ovog izotopa, mnogo po zemaljskim standardima. Na sadašnjem nivou svjetske potrošnje energije, lunarno gorivo bi bilo dovoljno za 10 hiljada godina, što je oko deset puta više od energetskog potencijala svih obnovljivih hemijskih goriva (gasa, nafte, uglja) na Zemlji.

AS? ILI "PO GRAMU PROIZVODNJE, PO GODINI RADA"

Nažalost, na Mjesecu nema "jezera" helijuma, on je manje-više ravnomjerno raspršen po cijelom prizemnom sloju. Ipak, sa tehničke tačke gledišta, proces rudarenja je prilično jednostavan i detaljno su ga razvili entuzijasti kolonizacije Mjeseca (vidi, na primjer, www.asi.org).

Da bi se zadovoljile trenutne godišnje energetske potrebe Zemlje, potrebno je sa Mjeseca donijeti samo oko 100 tona helijuma-3. Upravo taj broj, koji odgovara tri ili četiri leta spejs šatlova - šatlova, fascinira svojom dostupnošću. Međutim, prvo morate iskopati oko milijardu tona lunarnog tla - ne tako veliku količinu po standardima rudarske industrije: na primjer, u svijetu se godišnje iskopa dvije milijarde tona uglja (u Rusiji - oko 300 miliona tona). Naravno, sadržaj helijuma-3 u stijeni nije previsok: na primjer, razvoj ležišta se smatra isplativim ako sadrže najmanje nekoliko grama zlata i najmanje dva karata (0,4 g) dijamanata po toni. U tom smislu, helijum-3 se može porediti samo sa radijumom, od kojeg se od početka 20. veka dobija svega nekoliko kilograma: preradom tone čistog uranijuma dobije se samo 0,4 grama radijuma, da ne spominjemo problemi samog vađenja uranijuma. Početkom prošlog stoljeća, u periodu romantičnog odnosa prema radioaktivnosti, radijum je bio prilično popularan i poznat ne samo fizičarima, već i tekstopiscima: podsjetimo na frazu V.V. Ali helijum-3 je skuplji od gotovo bilo koje supstance koju koristi čovjek - jedna tona bi koštala najmanje milijardu dolara, ako pretvorite energetski potencijal helijuma u ekvivalent nafte po povoljnoj cijeni od 7 dolara po barelu.

Gas se lako oslobađa iz regolita zagrijanog na nekoliko stotina stepeni, recimo, uz pomoć ogledala koje koncentriše sunčeve zrake. Ne zaboravimo da još uvijek trebamo odvojiti helijum-3 od mnogo većeg broja drugih gasova, uglavnom od helijuma-4. Ovo se postiže hlađenjem gasova u tečno stanje i korišćenjem beznačajne razlike u tačkama ključanja izotopa (4,22 K za helijum-4 ili 3,19 K za helijum-3). Još jedna elegantna metoda odvajanja zasniva se na korišćenju svojstva superfluidnosti tečnog helijuma-4, koji može nezavisno da teče kroz vertikalni zid u susednu posudu, ostavljajući za sobom samo nesuperfluidni helijum-3 (videti "Nauka i život" br. 2, 2004).

Avaj, sve će to morati da se radi u bezvazdušnom prostoru, ne u uslovima „staklene bašte“ na Zemlji, već na Mesecu. Tamo će morati da se preseli nekoliko rudarskih gradova, što, u suštini, znači kolonizaciju meseca. Sada stotine stručnjaka nadzire sigurnost nekoliko astronauta u orbiti oko Zemlje, a posada se u svakom trenutku može vratiti na Zemlju. Ako se desetine hiljada ljudi nađu u svemiru, moraće sami da žive u vakuumu, bez detaljnog nadzora sa Zemlje, i da sebi obezbede vodu, vazduh, gorivo i osnovni građevinski materijal. Međutim, na Mjesecu ima dovoljno vodonika, kisika i metala. Mnogi od njih mogu se dobiti kao nusproizvod iskopavanja helijuma. Tada, možda, helijum-3 može postati profitabilna roba za trgovinu sa Zemljom. Ali budući da će ljudima u tako teškim uvjetima trebati mnogo više energije nego zemljanima, lunarne rezerve helijuma-3 možda neće izgledati tako neograničene i privlačne našim potomcima.

Usput, postoji alternativno rješenje za ovaj slučaj. Ako inženjeri i fizičari pronađu način da se izbore sa zadržavanjem deset puta toplije nego što je potrebno za moderni tokamak, helijum plazme (zadatak koji se sada čini potpuno fantastičnim), onda ćemo povećanjem temperature za samo još dva puta, " zapaliti" reakciju sinteze koja uključuje protone i bor. Tada će svi problemi s gorivom biti riješeni, i to po znatno nižoj cijeni: u zemljinoj kori ima više bora nego, na primjer, srebra ili zlata, široko se koristi kao aditiv u metalurgiji, elektronici i hemiji. Rudarsko-prerađivačka postrojenja proizvode stotine hiljada tona raznih soli koje sadrže bor godišnje, a ako nemamo dovoljno rezervi na kopnu, onda svaka tona morske vode sadrži nekoliko grama bora. A onaj ko ima bočicu borne kiseline u svojoj kutiji prve pomoći može pretpostaviti da ima sopstvenu rezervu energije za budućnost.

Književnost

Bronstein M. P. Solarna supstanca. - Terra Book Club, 2002.

Lunarno tlo iz mora izobilja. - M.: Nauka, 1974.

Naslovi za ilustracije

ill. 1. Helijev ciklus reakcija nuklearne fuzije počinje fuzijom dva protona u jezgro deuterijuma. U sljedećim fazama formiraju se složenije jezgre. Zapišimo prvih nekoliko najjednostavnijih reakcija koje će nam trebati u nastavku.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p ili
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
Brzina reakcije određena je vjerovatnoćom prevladavanja elektrostatičke barijere kada se dva pozitivno nabijena jona približe i vjerovatnoćom stvarne fuzije jezgara (tzv. poprečni presjek interakcije). Konkretno, što je veća kinetička energija jezgra i što je manji njegov električni naboj, veća je vjerovatnoća da će proći elektrostatičku barijeru i veća je brzina reakcije (vidi grafikon). Ključni parametar teorije termonuklearne energije - kriterijum reakcijskog paljenja - određuje pri kojoj gustoći i temperaturi plazma goriva će energija oslobođena tokom fuzije (proporcionalna brzini reakcije pomnoženoj sa gustinom plazme i vremenom gorenja) premašiti troškove grijanje plazmom, uzimajući u obzir gubitke i efikasnost. Reakcija deuterijuma i tricijuma ima najveću brzinu, a da bi se postiglo paljenje, plazma koncentracije od oko 10 14 cm -3 mora se zagrijati na sto i po miliona stepeni i držati 1-2 sekunde. Da bi se postigao pozitivan energetski bilans u reakcijama na druge komponente - helijum-3 ili bor, niža brzina se mora nadoknaditi desetostrukim povećanjem temperature i gustine plazme. Ali uspješnim sudarom dvaju jezgara oslobađa se energija, hiljadu puta veća od energije utrošene na njihovo zagrijavanje. Početne reakcije helijumskog ciklusa, koje formiraju deuterijum i tricijum u solarnom jezgru, odvijaju se tako sporo da odgovarajuće krive ne padaju u polje ovog grafikona.

ill. 2. Sunčev vjetar je struja razrijeđene plazme koja neprestano teče sa površine Sunca u međuplanetarni prostor. Vjetar nosi samo oko 3x10 -14 solarnih masa godišnje, ali se upravo taj vjetar pokazuje kao glavna komponenta međuplanetarnog medija, istiskujući međuzvjezdanu plazmu iz blizine Sunca. Tako nastaje heliosfera - neka vrsta balona poluprečnika oko stotinu astronomskih jedinica, koji se kreće zajedno sa Suncem kroz međuzvezdani gas. Kako se astronomi nadaju, američki sateliti Voyager 1 i Voyager 2 sada se približavaju njegovoj granici, koji će uskoro postati prva svemirska letjelica koja će napustiti Sunčev sistem. Sunčev vjetar je prvi put otkrila sovjetska interplanetarna stanica "Luna-2" 1959. godine, međutim, indirektni dokazi o prisutnosti korpuskularnog toka koji dolazi sa Sunca bili su poznati ranije. Upravo solarnom vetru stanovnici Zemlje duguju magnetne oluje (vidi "Nauka i život" br. 7, 2001). Na Zemljinoj orbiti, vjetar u prosjeku sadrži samo šest jona po kubnom centimetru, krećući se zapanjujućom brzinom od 450 km/s, što, međutim, nije tako brzo po mjerilima Sunčevog sistema: potrebno je tri dana za putovanje na Zemlju. Sunčev vetar se sastoji od 96% protona i 4% jezgra helijuma. Primjena ostalih elemenata je neznatna.

ill. 3. Lunarni regolit je prilično labav sloj na površini Mjeseca debeo nekoliko metara. Uglavnom se sastoji od malih fragmenata prosječne veličine manje od milimetra, akumuliranih tokom milijardi godina kao rezultat razaranja lunarnih stijena tokom temperaturnih promjena i udara meteorita. Studije lunarnog tla pokazale su da što je više titanovih oksida u regolitu, to je više atoma helija.

ill. 4. Prisutnost titana u prizemnom sloju prilično se lako detektuje daljinskom spektroskopskom analizom (crvena boja na desnoj slici figure dobijene satelitom Clementine), te se tako dobija mapa "nasloga" helijuma koja , općenito, poklapaju se s lokacijom lunarnih mora.

ill. 5. Za ekstrakciju jedne tone helijuma-3 potrebno je obraditi površinski sloj regolita na površini od najmanje 100 kvadratnih kilometara. Usput će biti moguće dobiti značajnu količinu drugih plinova koji će biti korisni za uređenje života na Mjesecu. Slike preuzete sa stranice

HIPOTEZE, ČINJENICE, RAZLOGA

Lunarni helijum-3 je termonuklearno gorivo budućnosti.

Komentar autora stranice: Aktiviranjem američkog lunarnog svemirskog programa sve se češće čuje da, uz prisustvo vode, Mjesec ima ogromne rezerve izotopa helijuma-3 - goriva nuklearne energije energija budućnosti. Da li je to tako, kakve izglede ovo obećava čovječanstvu, da li uopće trebamo istraživati ​​Mjesec i kako se to može učiniti - ovo je samo mali spisak pitanja, odgovore na koje ćete saznati u ovom članku, koji je poglavlje "Helijum-3" iz knjige akademika Ruske akademije nauka Erika Mihajloviča Galimova "Koncepti i pogrešne procene: Fundamentalna svemirska istraživanja u Rusiji u poslednjih dvadeset godina. Dvadeset godina beskorisnih napora."

Činjenica da je Mjesec obogaćen helijumom-3 poznata je otkako je mjesečeva materija prvi put donesena na Zemlju. U uzorcima lunarnog tla koje su američki astronauti donijeli tokom ekspedicija Apollo i dopremili sovjetska automatska vozila Luna, pokazala se relativna koncentracija izotopa helijuma 3He (omjer 3He/4He) hiljadu puta veća nego u zemaljskom heliju. To je rezultat zračenja površine Mjeseca korpuskularnim zračenjem Sunca, koje nije zaštićeno atmosferom. Tokom milijardi godina, atomi elemenata koje emituje Sunce, ponajviše vodonik i helijum u izotopskom odnosu svojstvenom Suncu, unose se u površinski prašnjavi sloj (regolit) Meseca. Druga činjenica - da je 3 He efikasno termonuklearno gorivo - bila je poznata fizičarima još ranije. Međutim, tih godina iz ovih činjenica nije izvučen nikakav praktičan zaključak. Kopnena energija je obezbeđena zahvaljujući brzom razvoju proizvodnje nafte i gasa. Nuklearna energija se zasnivala na dostupnim sirovinama uranijuma. Kontrolirana termonuklearna fuzija nije provedena čak ni na jednostavnijoj reakciji deuterijuma s tricijem. Na Zemlji, helijum-3 nije dostupan u komercijalnim količinama.

Krajem 80-ih - ranih 90-ih. bilo je publikacija o mogućoj upotrebi mjeseca kao izvora energije za Zemlju. Na primjer, predloženi su projekti za prijenos solarne energije prikupljene na površini Mjeseca na Zemlju u obliku fokusiranog snopa visoke frekvencije. Izražena je i ideja o ekstrakciji i isporuci lunarnog helijuma-3. Entuzijasta za ovu ideju je posebno bio američki astronaut Harold Schmidt, koji je bio na Mjesecu. Napisao je ozbiljnu knjigu o mogućnosti upotrebe helijuma-3.

Pozivajući na povratak lunarnom istraživanju, pored specifičnog i hitnog zadatka proučavanja unutrašnje strukture Mjeseca, stalno sam spominjao razvoj lunarnih resursa helijuma-3 kao zadatak koji se mora imati na umu kao daleka perspektiva.

Mislim da danas ne predviđamo u potpunosti šta će nam dati osvajanje Meseca, pa se u to upuštamo nesigurno, stidljivo i sa zakašnjenjem. Više puta sam morao pisati o tome da je proučavanje Mjeseca od velikog značaja za fundamentalnu geologiju. Rekonstrukcija rane istorije Zemlje, nastanka atmosfere, okeana i života na njoj, nemoguća je bez proučavanja Mjeseca. Makar samo zato što su tragovi prvih 500-600 miliona godina istorije Zemlje potpuno izbrisani u njenom geološkom zapisu, a sačuvani su na Mesecu. I zato što Mjesec i Zemlja predstavljaju genetski ujedinjen sistem.

Helijum-tri. Čudna i nerazumljiva fraza. Međutim, što dalje idemo, to ćemo više čuti. Jer, prema mišljenju stručnjaka, helijum-tri će spasiti naš svijet od nadolazeće energetske krize. I u ovom poduhvatu najaktivnija uloga je data Rusiji.

Mjesec

Obećavajuća termonuklearna energija, koja kao osnovu koristi reakciju fuzije deuterij-tricij, iako je sigurnija od energije nuklearne fisije koja se koristi u modernim nuklearnim elektranama, ipak ima niz značajnih nedostataka.

• Prvo, ova reakcija oslobađa mnogo veći (za red veličine!) broj neutrona visoke energije. Nijedan od poznatih materijala ne može izdržati tako intenzivan neutronski tok duže od šest godina – uprkos činjenici da ima smisla napraviti reaktor sa resursom od najmanje 30 godina. Shodno tome, prvi zid tricijumskog fuzionog reaktora će biti potrebno zamijeniti - a to je vrlo komplicirana i skupa procedura, koja je povezana i sa gašenjem reaktora na prilično dug period.
• Drugo, potrebno je zaštititi magnetni sistem reaktora od snažnog neutronskog zračenja, što komplicira i, shodno tome, povećava cijenu dizajna.
• Treće, mnogi elementi dizajna tricijumskog reaktora nakon završetka rada bit će vrlo aktivni i zahtijevat će dugotrajno sahranjivanje u skladištima posebno stvorenim za tu svrhu.

U slučaju korištenja deuterija s izotopom helijuma-3 umjesto tritijuma u termonuklearnom reaktoru, većina problema se može riješiti. Intenzitet neutronskog toka opada za faktor 30 - prema tome, lako je osigurati vijek trajanja od 30-40 godina. Nakon završetka rada helijumskog reaktora ne stvara se visokoaktivni otpad, a radioaktivnost konstruktivnih elemenata bit će toliko niska da se mogu doslovno zatrpati na gradskoj deponiji, lagano posuti zemljom.

Šta je problem? Zašto još uvijek ne koristimo tako isplativo fuzijsko gorivo?

Prije svega, zato što je ovaj izotop izuzetno mali na našoj planeti. Rođen je na Suncu, zbog čega se ponekad naziva i "solarnim izotopom". Njegova ukupna masa tamo premašuje težinu naše planete. Helijum-3 se prenosi u okolni prostor solarnim vetrom. Zemljino magnetsko polje odbija značajan dio ovog vjetra, pa stoga helijum-3 čini samo trilionti dio Zemljine atmosfere - oko 4000 tona, a na samoj Zemlji je još manje - oko 500 kg.

Na Mjesecu ima mnogo više ovog izotopa. Tamo je prošaran u lunarnom tlu "regolit", koji po sastavu podsjeća na običnu šljaku. Govorimo o ogromnim - gotovo neiscrpnim rezervama!

Analiza šest uzoraka tla koje su donijele ekspedicije Apollo i dva uzorka dostavljena sovjetskim automatskim stanicama " Mjesec“, pokazao je da regolit koji pokriva sva mora i visoravni Mjeseca sadrži do 106 tona helijuma-3, koji bi za milenijum zadovoljio potrebe zemljine energije, čak i nekoliko puta uvećane u odnosu na moderne! Prema savremenim procjenama, rezerve helijuma-3 na Mjesecu su tri reda veličine veće - 109 tona.

Osim Meseca, helijum-3 se može naći i u gustim atmosferama džinovskih planeta, a, prema teorijskim procenama, njegove rezerve samo na Jupiteru iznose 1020 tona, što bi bilo dovoljno za napajanje Zemlje do kraja vremena .

Projekti proizvodnje helijuma-3

Regolit prekriva Mjesec slojem debljine nekoliko metara. Regolit lunarnih mora bogatiji je helijumom od regolita visoravni. 1 kg helijuma-3 nalazi se u približno 100.000 tona regolita.

Stoga, da bi se izdvojio dragocjeni izotop, potrebno je obraditi ogromnu količinu mrvičastog mjesečevog tla.

Uzimajući u obzir sve karakteristike, tehnologija proizvodnje helija-3 trebala bi uključivati ​​sljedeće procese:

1. Ekstrakcija regolita.

Specijalni "kombateri" će sakupljati regolit sa površinskog sloja debljine oko 2 m i dopremati ga do preradnih punktova ili prerađivati ​​direktno u rudarskom procesu.

2. Oslobađanje helijuma iz regolita.

Kada se regolit zagrije na 600°C, oslobađa se (desorbira) 75% helijuma sadržanog u regolitu; kada se zagrije na 800°C, oslobađa se gotovo sav helijum. Predlaže se zagrijavanje prašine u posebnim pećima, fokusirajući sunčevu svjetlost bilo plastičnim sočivima ili ogledalima.

3. Isporuka na Zemlju svemirskim brodom za višekratnu upotrebu.

Prilikom ekstrakcije helijuma-3 iz regolita se izdvajaju i brojne tvari: vodonik, voda, dušik, ugljični dioksid, dušik, metan, ugljični monoksid, koji mogu biti korisni za održavanje lunarnog industrijskog kompleksa.

Projekat prvog lunarnog kombinata, dizajniranog za obradu regolita i izdvajanje izotopa helijuma-3 iz njega, predložila je grupa J. Kulčinskog. Privatne američke kompanije trenutno razvijaju nekoliko prototipova, koji će, po svemu sudeći, biti predati konkurenciji nakon što NASA odluči o karakteristikama buduće ekspedicije na Mjesec.

Jasno je da će, osim isporuke kombajna na Mjesec, morati izgraditi skladišta, useljivu bazu (za servisiranje cijelog kompleksa opreme), svemirsku luku i još mnogo toga. Vjeruje se, međutim, da će se visoki troškovi stvaranja razvijene infrastrukture na Mjesecu itekako isplatiti s obzirom na to da dolazi globalna energetska kriza, kada će tradicionalni tipovi energenata (ugalj, nafta, prirodni plin) moraju biti napušteni.

Glavni tehnološki problem

Na putu stvaranja energije na bazi helijuma-3 postoji jedan važan problem. Činjenica je da je reakciju deuterijum-helijum-3 mnogo teže provesti od reakcije deuterijum-tricijum.

Prije svega, izuzetno je teško zapaliti mješavinu ovih izotopa. Izračunata temperatura na kojoj će se odvijati termonuklearna reakcija u smjesi deuterijum-tricijum je 100-200 miliona stepeni. Kada se koristi helijum-3, potrebna temperatura je dva reda veličine viša. U stvari, moramo upaliti malo sunce na Zemlji.

Međutim, istorija razvoja nuklearne energije (poslednjih pola veka) pokazuje povećanje generisanih temperatura za red veličine tokom 10 godina. Godine 1990. helijum-3 je već spaljen na evropskom JET tokamaku, a rezultirajuća snaga je bila 140 kW. Otprilike u isto vrijeme, američki tokamak TFTR dostigao je temperaturu potrebnu za početak reakcije u smjesi deuterijuma i helijuma.

Međutim, zapaliti smjesu je pola bitke. Loša strana termonuklearne energije je teškoća ostvarivanja praktičnih povrata, jer je radno tijelo plazma zagrijana na više miliona stepeni, koja se mora držati u magnetnom polju.

Eksperimenti pripitomljavanja plazmom izvode se dugi niz decenija, ali su tek krajem juna prošle godine u Moskvi predstavnici niza zemalja potpisali sporazum o izgradnji Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER) na jugu Francuske godine. grad Cadarache, prototip praktične termonuklearne elektrane. ITER će koristiti deuterijum i tricijum kao gorivo.

Fuzijski reaktor na heliju-3 bit će strukturno složeniji od ITER-a, a za sada ga nema ni u projektima. I iako se stručnjaci nadaju da će se prototip helijum-3 reaktora pojaviti u narednih 20-30 godina, ova tehnologija ostaje čista fantazija.

Pitanje proizvodnje helijuma-3 analizirali su stručnjaci tokom saslušanja o budućem istraživanju i istraživanju Mjeseca, održanih u aprilu 2004. godine u Podkomitetu za svemir i aeronautiku Komiteta za nauku Doma poslanika američkog Kongresa. Njihov zaključak je bio nedvosmislen: čak i u dalekoj budućnosti, vađenje helijuma-3 na Mjesecu je potpuno neisplativo.

Kao što je John Logsdon, direktor Instituta za svemirsku politiku u Washingtonu, rekao: „Američka svemirska zajednica ne smatra iskopavanje helijuma-3 ozbiljnim izgovorom za povratak na Mjesec. Letjeti tamo za ovim izotopom je kao poslati Kolumba u Indiju po uranijum prije pet stotina godina. Može da donese, i doneo bi, samo nekoliko stotina godina niko ne bi znao šta da radi sa tim.

Iskopavanje helijuma-3 kao nacionalni projekat

“Sada govorimo o termonuklearnoj energiji budućnosti i novoj ekološkoj vrsti goriva koja se ne može proizvesti na Zemlji. Govorimo o industrijskom razvoju Mjeseca za ekstrakciju helijuma-3.

Ovu izjavu šefa raketno-kosmičke korporacije Energia Nikolaja Sevastjanova ruski naučni posmatrači doživjeli su kao prijavu za formiranje novog "nacionalnog projekta".

Zaista, jedna od glavnih funkcija države, posebno u 20. stoljeću, bila je upravo formuliranje zadataka za društvo na rubu mašte. To se odnosilo i na sovjetsku državu: elektrifikacija, industrijalizacija, stvaranje atomske bombe, prvi satelit, skretanje rijeka.

Danas u Ruskoj Federaciji država pokušava, ali nije u stanju da formuliše zadatke na ivici nemogućeg. Državi treba neko da joj pokaže nacionalni projekat i opravda koristi koje teoretski proizilaze iz ovog projekta. Program razvoja i proizvodnje helijuma-3 sa Meseca na Zemlju za snabdevanje termonuklearnom energijom gorivom idealno ispunjava ove zahteve.

„Ja samo mislim da postoji nedostatak u nekom velikom tehnološkom problemu“, naglasio je u intervjuu Aleksandar Zaharov, doktor fizičko-matematičkih nauka, naučni sekretar Instituta za svemirska istraživanja Ruske akademije nauka. - Možda su se zbog toga nedavno pokrenuli svi ovi razgovori o proizvodnji helijuma-3 na Mjesecu za termonuklearnu energiju. Ako a Mjesec- izvor minerala, a odatle da se nosi ovaj helijum-3, a nema dovoljno energije na Zemlji... Sve je to razumljivo, jako lepo zvuči. A za to je, možda, lako uvjeriti utjecajne ljude da izdvajaju novac. Mislim da je tako”.