Helium Formel 3. Helium-Drei ist die Energie der Zukunft. Zusammensetzung und Struktur

Helium 3 - die Energie der Zukunft

Wir alle wissen, dass unser Öl nicht endlos ist, und Studien haben auch seine organische Herkunft bewiesen, was bedeutet, dass Öl eine nicht erneuerbare Ressource ist. Öl ist eine brennbare ölige Flüssigkeit, die eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen ist, rotbraun, manchmal fast schwarz gefärbt, obwohl es manchmal auch leicht gelbgrün gefärbt ist und sogar farbloses Öl hat, einen spezifischen Geruch hat und in der Sedimentschale üblich ist der Erde; eines der wichtigsten Mineralien. Erdöl ist ein Gemisch aus etwa 1000 Einzelstoffen, von denen die meisten flüssige Kohlenwasserstoffe sind. Öl nimmt in der globalen Brennstoff- und Energiebilanz einen Spitzenplatz ein: Sein Anteil am Gesamtverbrauch an Energieressourcen beträgt 48 %, weshalb Öl als Energieträger so wichtig für die Menschheit ist.

Im Moment sind die Hauptenergiequellen: Wärmekraftwerk, Wärmekraftwerk, Kernkraftwerk.

Die Grafik zeigt deutlich, dass nur Wärmekraftwerke eine führende Position einnehmen können, die nicht erneuerbare Ressourcen als Brennstoff verwenden, wie z. B.: Öl (alle Arten von Brennstoffen, die aus Öl gewonnen werden), Kohle, Gas.

Wasserkraftwerke machen nur 20% aus, und selbst wenn die Welt beginnt, die maximale Anzahl von Flüssen für Wasserkraftwerke zu nutzen, wird die Gesamtenergie, die von allen Wasserkraftwerken freigesetzt wird, nicht in der Lage sein, den Bedarf der Menschheit zu decken.

Kernkraftwerke machen nur 17 % der weltweiten Energieproduktion aus, die Nutzung der Atomspaltungsreaktion hat schwerwiegende Folgen in Form von Strahlung.

Heute werden Gas, Kohle, Torf, die Energie der Atomspaltung (Kernenergie) aktiv als alternative Rohstoffe genutzt, aber wir sind uns bewusst, dass sie Öl als Rohstoff für die Energieerzeugung nicht vollständig ersetzen können. Und die Reserven des gleichen Erdgases sind nicht endlos, mit diesen alternativen Rohstoffen werden wir die Energiekrise nur verzögern.

Wissenschaftler sind sich des Problems bewusst, das ihnen auf den Fersen ist, und schaffen und untersuchen alternative Energiequellen. Derzeit arbeiten Wissenschaftler an Projekten, bei denen Folgendes zum Einsatz kommt:

Biogas

Biodiesel

Bioethanol

Windenergie

Wasserstoffenergie

Geothermische Energie

Solarzellen

Kernenergie

Thermonukleare Energie (basierend auf der Verwendung von Helium 3)

Hauptteil

Betrachten wir also jede Alternative einzeln.

2.1 Biogas

Biomethan ist ein Gas, das aus der Vergärung organischer Abfälle (Biogas) gewonnen wird. Das am besten geeignete Anwendungsgebiet von Biogas ist die Beheizung von Viehbetrieben, Wohngebäuden und technologischen Bereichen. Biogas kann auch als Kraftstoff verwendet werden. Überschüssiger produzierter Brennstoff kann mit Dieselgeneratoren zu Strom verarbeitet werden.

Biomethan hat eine geringe volumetrische Energiekonzentration. Unter normalen Bedingungen beträgt der Brennwert 1 Liter. Biomethan beträgt 33 - 36 kJ.

Biomethan hat eine hohe Detonationsfestigkeit, wodurch die Schadstoffkonzentration in Abgasen reduziert und die Menge an Ablagerungen im Motor verringert wird.

Biomethan als Kraftstoff sollte in Verkehrsmotoren entweder in komprimiertem oder verflüssigtem Zustand verwendet werden. Das Haupthindernis für die weit verbreitete Verwendung von komprimiertem Biomethan als Motorkraftstoff, wie im Fall von komprimiertem Erdgas, ist jedoch der Transport einer beträchtlichen Masse von Kraftstoffzylindern.

Im Ausland wird der Problematik der Gewinnung und Nutzung von Biogas große Aufmerksamkeit geschenkt. In kurzer Zeit entstand in vielen Ländern der Erde eine ganze Biogasindustrie: 1980 gab es weltweit etwa 8 Millionen Biogasanlagen mit einer Gesamtkapazität von 1,7-2 Milliarden Kubikmetern. m pro Jahr, dann entsprechen diese Zahlen derzeit der Biogasproduktivität nur eines Landes - Chinas.

Die Vorteile von Biogas sind:

Energiebezug ohne zusätzliche Emission von CO 2 .

Geschlossene Systeme geben keine oder nur geringe Gerüche ab.

Verbesserung der Handelssituation und Verringerung der Abhängigkeit von Energieimporteuren.

Biogasstrom kann 24 Stunden am Tag erzeugt werden.

Unabhängig von Wind/Wasser/Strom.

Verbesserung der Bodendüngung.

2.2 Biodiesel

Biodiesel ist ein Kraftstoff auf Basis von pflanzlichen oder tierischen Fetten (Ölen) sowie deren Veresterungsprodukten. Es wird im Kraftverkehr in Form von verschiedenen Mischungen mit Dieselkraftstoff verwendet.

Umweltaspekte der Anwendung:

Biodiesel schadet, wie Versuche gezeigt haben, Pflanzen und Tieren nicht, wenn er ins Wasser gelangt. Darüber hinaus unterliegt es einem fast vollständigen biologischen Abbau: Im Boden oder im Wasser verarbeiten Mikroorganismen 99 % des Biodiesels in 28 Tagen, sodass wir von einer Minimierung der Verschmutzung von Flüssen und Seen sprechen können.

Die Vorteile von Biodiesel umfassen:

Erhöhung der Cetanzahl und Schmierfähigkeit, was die Lebensdauer des Motors verlängert;

deutliche Reduzierung schädlicher Emissionen (einschließlich CO, CO2, SO2, Feinstaub und flüchtige organische Verbindungen);

Förderung der Reinigung von Einspritzdüsen, Kraftstoffpumpen und Kraftstoffversorgungskanälen.

Mängel

In der kalten Jahreszeit muss der Kraftstoff vom Kraftstofftank zur Kraftstoffpumpe erwärmt oder eine Mischung aus 20 % BIODIESEL und 80 % Dieselkraftstoff verwendet werden.

2.3 Bioethanol

Bioethanol ist ein flüssiger Alkoholbrennstoff, dessen Dämpfe schwerer als Luft sind. Es wird aus stärke- oder zuckerhaltigen landwirtschaftlichen Produkten wie Mais, Getreide oder Zuckerrohr hergestellt. Im Gegensatz zu Alkohol, aus dem alkoholische Getränke hergestellt werden, enthält Kraftstoffethanol kein Wasser und wird durch eine verkürzte Destillation (zwei Destillationskolonnen statt fünf) hergestellt, enthält daher Methanol und Fuselöle sowie Benzin, was es ungenießbar macht.

Kraftstoffbasiertes Bioethanol wird auf ähnliche Weise wie herkömmlicher Speisealkohol für die Herstellung von alkoholischen Getränken hergestellt, es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede.

Ethanol kann aus beliebigen zucker- und stärkehaltigen Rohstoffen hergestellt werden: Zuckerrohr und Rüben, Kartoffeln, Topinambur, Mais, Weizen, Gerste, Roggen etc.

Zu den Vorteilen von Bioethanol zählen:

Ethanol hat eine hohe Oktanzahl

Bioethanol ist abbaubar und belastet die Natur nicht

Wassersysteme

10 % Ethanol im Benzin reduziert die Abgastoxizität

Reduzierung der CO-Emissionen um 26 %, der Stickoxidemissionen

um 5 %, Aerosolpartikel um 40 %.

Ethanol ist das einzige Erneuerbare

flüssiger Brennstoff, dessen Verwendung in

als Zusatz zu Benzin bedarf keiner Modifikation

Motorkonstruktionen

Es hat keine besonders ausgeprägten Mängel.

2.4. Windkraft

Windkraft ist eine unregulierte Energiequelle. Die Leistung eines Windparks hängt von der Windstärke ab, einem sehr variablen Faktor. Dementsprechend ist die Stromabgabe des Windgenerators an das Stromnetz sowohl auf Tages- als auch auf Wochen-, Monats-, Jahres- und Langzeitsicht sehr ungleichmäßig. Da das Energiesystem selbst heterogene Energielasten (Spitzen und Einbrüche im Energieverbrauch) aufweist, die natürlich nicht durch Windenergie reguliert werden können, trägt die Einführung eines signifikanten Anteils von Windenergie in das Energiesystem zu dessen Destabilisierung bei. Es ist klar, dass Windenergie eine Leistungsreserve im Energiesystem (z. B. in Form von Gasturbinenkraftwerken) sowie Mechanismen zur Glättung der Heterogenität ihrer Erzeugung (in Form von Wasserkraftwerken oder Pumpkraftwerken) benötigt Speicherkraftwerke). Diese Eigenschaft der Windenergie erhöht die Kosten für den von ihnen erhaltenen Strom erheblich. Netze zögern, Windenergieanlagen an das Netz anzuschließen, was dazu geführt hat, dass dies gesetzlich vorgeschrieben ist.

Kleine eigenständige Windkraftanlagen können Probleme mit der Netzwerkinfrastruktur haben, da die Kosten für die Übertragungsleitung und die Schaltanlage zum Anschluss an das Stromnetz möglicherweise zu hoch sind.

Große Windenergieanlagen haben erhebliche Reparaturprobleme, da der Austausch eines Großteils (Blatt, Rotor usw.) in einer Höhe von mehr als 100 m ein komplexes und teures Unterfangen ist.

Vorteile:

Umweltfreundlich.

Sicher für den Menschen (keine Strahlung, kein Abfall).

Hauptnachteile:

Geringe Energiedichte pro Flächeneinheit des Windrads; unvorhersehbare Änderungen der Windgeschwindigkeit während des Tages und der Jahreszeit, die die Reservierung eines Windparks oder die Speicherung der erzeugten Energie erfordern; negative Auswirkungen auf den Lebensraum von Mensch und Tier, auf die Fernsehkommunikation und die saisonalen Vogelzugrouten.

2.5. Wasserstoffenergie

Wasserstoffenergie ist eine Richtung in der Produktion und dem Verbrauch von Energie durch die Menschheit, basierend auf der Nutzung von Wasserstoff als Mittel zum Speichern, Transportieren und Verbrauchen von Energie durch Menschen, Verkehrsinfrastruktur und verschiedene Produktionsbereiche. Wasserstoff wird als das häufigste Element auf der Erdoberfläche und im Weltraum gewählt, die Verbrennungswärme von Wasserstoff ist am höchsten, und das Verbrennungsprodukt in Sauerstoff ist Wasser (das wieder in den Kreislauf der Wasserstoffenergie eingeführt wird). Es gibt mehrere Möglichkeiten, Wasserstoff zu erzeugen:

Aus Erdgas

Kohlevergasung:

Wasserelektrolyse (*Umkehrreaktion)

Wasserstoff aus Biomasse

Vorteile:

ökologische Reinheit des Wasserstoffbrennstoffs.

Erneuerbarkeit.

extrem hoher Wirkungsgrad - 75%, was fast 2,5-mal höher ist als der der modernsten Anlagen, die mit Öl und Gas betrieben werden.

Wasserstoff hat auch gravierendere Nachteile. Erstens kommt es in freiem gasförmigem Zustand in der Natur nicht vor, das heißt, es muss abgebaut werden. Zweitens ist Wasserstoff als Gas ziemlich gefährlich. Seine Mischung mit Luft "brennt" zunächst unsichtbar, dh es gibt Wärme ab und detoniert dann leicht beim kleinsten Funken. Ein klassisches Beispiel für eine Wasserstoffexplosion ist der Unfall von Tschernobyl, bei dem durch Überhitzung von Zirkonium und darauf fallendem Wasser Wasserstoff entstand, der dann detonierte. Drittens muss Wasserstoff irgendwo gespeichert werden, und zwar in großen Behältern, da er eine geringe Dichte hat. Und es kann nur unter sehr hohem Druck komprimiert werden, ungefähr 300 Atmosphären.

2.6. geothermische Energie

Der Ausbruch von Vulkanen ist ein klarer Beweis für die enorme Hitze im Inneren des Planeten. Wissenschaftler schätzen die Temperatur des Erdkerns auf Tausende von Grad Celsius. Diese Temperatur nimmt vom heißen inneren Kern, wo Wissenschaftler glauben, dass Metalle und Gesteine nur in geschmolzenem Zustand existieren können, bis zur Erdoberfläche allmählich ab. Geothermie kann hauptsächlich auf zwei Arten genutzt werden - zur Stromerzeugung und zum Heizen von Häusern, Institutionen und Industrieunternehmen. Für welche dieser Zwecke sie verwendet werden, hängt davon ab, in welcher Form sie in unseren Besitz gelangen. Manchmal sprudelt Wasser in Form von reinem „Trockendampf“ aus dem Boden, d.h. Dampf ohne Beimischung von Wassertröpfchen. Dieser trockene Dampf kann direkt verwendet werden, um eine Turbine anzutreiben und Strom zu erzeugen. Kondenswasser kann in den Boden zurückgeführt und bei ausreichend guter Qualität in ein nahe gelegenes Gewässer abgeleitet werden.

Transformation der thermischen Energie des Ozeans.

Die Idee, den Temperaturunterschied von Meerwasser zur Stromerzeugung zu nutzen, entstand vor etwa 100 Jahren, nämlich im Jahr 1981. Der französische Physiker Jacques D. Arsonval veröffentlichte eine Arbeit über die Sonnenenergie der Meere. Zu dieser Zeit war bereits viel über die Fähigkeit des Ozeans bekannt, Wärmeenergie aufzunehmen und zu speichern. Auch der Mechanismus der Entstehung von Meeresströmungen und die Hauptgesetzmäßigkeiten bei der Bildung von Temperaturunterschieden zwischen der Oberfläche und den tiefen Wasserschichten waren bekannt.

Die Nutzung der Temperaturdifferenz ist in drei Hauptrichtungen möglich: direkte Umwandlung auf Basis von Thermoelementen, Umwandlung von Wärme in mechanische Energie in thermischen Maschinen und Umwandlung in mechanische Energie in hydraulischen Maschinen unter Nutzung des Dichteunterschieds von warmem und kaltem Wasser.

Vorteile:

Sie sind praktisch wartungsfrei.

Einer der Vorteile eines geothermischen Kraftwerks besteht darin, dass es im Vergleich zu einem Kraftwerk mit fossilen Brennstoffen bei der Produktion der gleichen Menge Strom etwa zwanzigmal weniger Kohlendioxid ausstößt, was seine Auswirkungen auf die globale Umwelt verringert.

Der Hauptvorteil der Geothermie ist ihre praktische Unerschöpflichkeit und völlige Unabhängigkeit von Umweltbedingungen, Tages- und Jahreszeit.

Welche Probleme ergeben sich bei der Nutzung von unterirdischem Thermalwasser? Die wichtigste ist die Notwendigkeit, Abwasser wieder in einen unterirdischen Grundwasserleiter einzuleiten. Thermalwasser enthält eine große Menge an Salzen verschiedener toxischer Metalle (z. B. Bor, Blei, Zink, Cadmium, Arsen) und chemische Verbindungen (Ammoniak, Phenole), was die Einleitung dieser Wässer in natürliche Wassersysteme an der Oberfläche ausschließt .

2.7. Solarzellen

Funktionsweise von Solarzellen:

Solar- Zellen (SCs) bestehen aus Materialien, die Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Die meisten der derzeit kommerziell hergestellten Solarzellen bestehen aus Silizium.

In den letzten Jahren wurden neue Arten von Materialien für Solarzellen entwickelt. Zum Beispiel Dünnschicht-Solarzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid und CdTe (Cadmium-Tellurid). Diese SCs wurden kürzlich auch kommerziell verwendet.

Vorteile:

Die Energie der Sonne ist nahezu unendlich

Umweltfreundlich

Sicher für Mensch und Natur

Nachteile: Das Solarkraftwerk arbeitet nachts nicht und arbeitet in der Morgen- und Abenddämmerung nicht effektiv. Gleichzeitig fällt die Spitze des Stromverbrauchs in die Abendstunden. Darüber hinaus kann die Kraftwerkskapazität aufgrund von Wetteränderungen dramatisch und unerwartet schwanken. Aufgrund des relativ kleinen Werts der Solarkonstante erfordert Solarenergie die Nutzung großer Landflächen für Kraftwerke (beispielsweise können dies für ein 1-GW-Kraftwerk mehrere zehn Quadratkilometer sein). Trotz der Umweltverträglichkeit der erhaltenen Energie enthalten die Solarzellen selbst giftige Substanzen wie Blei, Cadmium, Gallium, Arsen usw., und ihre Herstellung verbraucht viele andere gefährliche Substanzen. Moderne Lichtschranken haben eine begrenzte Lebensdauer (30-50 Jahre), und der Masseneinsatz wird bald die schwierige Frage ihrer Entsorgung aufwerfen, für die es auch noch keine umweltverträgliche Lösung gibt.

2.8.Kernenergie

Kernenergie (Atomenergie), die bei Kernumwandlungen (Kernreaktionen) freigesetzte innere Energie von Atomkernen. Die Nutzung der Kernenergie basiert auf der Umsetzung von Kettenreaktionen der Spaltung schwerer Kerne und thermonuklearer Fusionsreaktionen - der Fusion leichter Kerne; sowohl diese als auch andere Reaktionen gehen mit einer Energiefreisetzung einher, beispielsweise werden bei der Spaltung eines Kerns etwa 200 MeV freigesetzt. Bei der vollständigen Spaltung von Kernen in 1 g Uran wird Energie von 2,3 * 104 kWh freigesetzt. Dies entspricht der Energie, die durch die Verbrennung von 3 Tonnen Kohle oder 2,5 Tonnen Öl gewonnen wird. In Kernreaktoren wird eine kontrollierte Kernspaltungsreaktion verwendet.

Vorteile:

niedrige und nachhaltige (im Verhältnis zu den Brennstoffkosten) Strompreise;

Mittlere Umweltbelastung.

Nachteile von Kernkraftwerken:

Bestrahlter Kraftstoff ist gefährlich und erfordert komplexe und teure Wiederaufbereitungs- und Lagerungsmaßnahmen;

Unerwünschter Betriebsmodus mit variabler Leistung für Reaktoren, die mit thermischen Neutronen betrieben werden;

Bei einer geringen Wahrscheinlichkeit von Zwischenfällen sind ihre Folgen äußerst schwerwiegend

Große Kapitalinvestitionen, sowohl spezifisch pro 1 MW installierter Leistung für Einheiten mit einer Kapazität von weniger als 700-800 MW als auch allgemein, die für den Bau der Station, ihrer Infrastruktur sowie im Falle einer möglichen Liquidation erforderlich sind.

Alle oben genannten Alternativen zu Öl haben einen, aber einen sehr bedeutenden Nachteil, sie sind NICHT in der Lage, Öl als Energiequelle VOLLSTÄNDIG zu ersetzen. Hier hilft nur der Einsatz thermonuklearer Energie.

2.9 Thermonukleare Energie

Thermonukleare Energie unter Beteiligung von Helium 3 ist eine sichere und hochwertige Energie.

thermonukleare Reaktionen. Die Energiefreisetzung bei der Fusion von Kernen leichter Atome von Deuterium, Tritium oder Lithium unter Bildung von Helium erfolgt im Verlauf von thermonuklearen Reaktionen. Diese Reaktionen werden thermonuklear genannt, weil sie nur bei sehr hohen Temperaturen ablaufen können. Andernfalls lassen die elektrischen Abstoßungskräfte es den Kernen nicht zu, sich so weit zu nähern, dass die nuklearen Anziehungskräfte zu wirken beginnen. Kernfusionsreaktionen sind die Quelle stellarer Energie. Die gleichen Reaktionen finden während der Explosion einer Wasserstoffbombe statt. Die Umsetzung der kontrollierten thermonuklearen Fusion auf der Erde verspricht der Menschheit eine neue, praktisch unerschöpfliche Energiequelle. Am vielversprechendsten ist dabei die Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium.

Wenn Sie Deuterium mit dem Isotop Helium-3 in einem Fusionsreaktor anstelle der in der Kernkraft verwendeten Materialien verwenden. Die Intensität des Neutronenflusses sinkt um den Faktor 30 - dementsprechend kann die Lebensdauer des Reaktors von 30-40 Jahren problemlos sichergestellt werden (die Menge der emittierten Strahlung nimmt entsprechend ab). Nach Abschluss des Betriebs des Heliumreaktors entstehen keine hochaktiven Abfälle, und die Radioaktivität der Bauelemente wird so gering sein, dass sie buchstäblich auf einer leicht mit Erde bestreuten Müllkippe vergraben werden können.

Also, was ist das Problem? Warum verwenden wir immer noch keinen so profitablen Fusionsbrennstoff?

Erstens, weil dieses Isotop auf unserem Planeten extrem klein ist. Es wird auf der Sonne geboren, weshalb es manchmal als "Sonnenisotop" bezeichnet wird. Seine Gesamtmasse übersteigt dort das Gewicht unseres Planeten. Helium-3 wird durch den Sonnenwind in den umgebenden Weltraum getragen. Das Magnetfeld der Erde lenkt einen erheblichen Teil dieses Windes ab, weshalb Helium-3 nur ein Billionstel der Erdatmosphäre ausmacht - etwa 4000 Tonnen, auf der Erde selbst noch weniger - etwa 500 kg.

Auf dem Mond gibt es viel mehr von diesem Isotop. Dort ist es in den Mondboden "Regolith" eingestreut, der in seiner Zusammensetzung gewöhnlicher Schlacke ähnelt. Die Rede ist von riesigen – fast unerschöpflichen Reserven!

Eine Analyse von sechs Bodenproben, die von den Apollo-Expeditionen mitgebracht wurden, und zwei Proben, die von den sowjetischen automatischen Luna-Stationen geliefert wurden, ergab, dass der Regolith, der alle Meere und Plateaus des Mondes bedeckt, bis zu 106 Tonnen Helium-3 enthält, was den Bedarf decken würde die Energie der Erde, gegenüber der heutigen sogar um ein Vielfaches gesteigert, seit einem Jahrtausend! Nach modernen Schätzungen sind die Helium-3-Reserven auf dem Mond um drei Größenordnungen größer - 109 Tonnen.

Neben dem Mond ist Helium-3 in den dichten Atmosphären der Riesenplaneten zu finden, und nach theoretischen Schätzungen betragen seine Reserven allein auf Jupiter 1020 Tonnen, was ausreichen würde, um die Erde bis ans Ende der Zeiten mit Energie zu versorgen .

Helium-3-Produktionsprojekte

Regolith bedeckt den Mond mit einer mehrere Meter dicken Schicht. Der Regolith der Mondmeere ist reicher an Helium als der Regolith der Hochebenen. 1 kg Helium-3 ist in etwa 100.000 Tonnen Regolith enthalten.

Um das kostbare Isotop zu gewinnen, müssen daher riesige Mengen krümeliger Monderde verarbeitet werden.

Unter Berücksichtigung aller Merkmale sollte die Helium-3-Produktionstechnologie die folgenden Prozesse umfassen:

1. Gewinnung von Regolith.

Spezielle „Harvester“ werden Regolith aus der etwa 2 m dicken Deckschicht sammeln und an Verarbeitungsstellen liefern oder direkt im Abbauprozess verarbeiten.

2. Freisetzung von Helium aus Regolith.

Beim Erhitzen des Regoliths auf 600 °C werden 75 % des im Regolith enthaltenen Heliums freigesetzt (desorbiert), beim Erhitzen auf 800 °C fast das gesamte Helium freigesetzt. Es wird vorgeschlagen, die Stauberwärmung in speziellen Öfen durchzuführen, die das Sonnenlicht entweder mit Kunststofflinsen oder Spiegeln fokussieren.

3. Lieferung zur Erde durch wiederverwendbare Raumfahrzeuge.

Bei der Gewinnung von Helium-3 werden auch zahlreiche Substanzen aus Regolith gewonnen: Wasserstoff, Wasser, Stickstoff, Kohlendioxid, Stickstoff, Methan, Kohlenmonoxid, die für die Aufrechterhaltung des Mondindustriekomplexes nützlich sein können.

Das Projekt des ersten Mondkombinats, das Regolith verarbeiten und daraus das Helium-3-Isotop extrahieren soll, wurde von der Gruppe von J. Kulchinski vorgeschlagen. Derzeit entwickeln private amerikanische Unternehmen mehrere Prototypen, die offenbar zum Wettbewerb eingereicht werden, nachdem die NASA über die Merkmale einer zukünftigen Expedition zum Mond entschieden hat.

Es ist klar, dass sie zusätzlich zur Lieferung von Mähdreschern zum Mond Lagereinrichtungen, eine bewohnbare Basis (zur Wartung des gesamten Ausrüstungskomplexes), einen Raumhafen und vieles mehr bauen müssen. Es wird jedoch angenommen, dass sich die hohen Kosten für die Schaffung einer entwickelten Infrastruktur auf dem Mond im Hinblick darauf auszahlen werden, dass eine globale Energiekrise kommt, wenn traditionelle Arten von Energieträgern (Kohle, Öl, Erdgas) kommen werden aufgegeben werden müssen.

Wenn man bedenkt, dass das Öl in 35-40 Jahren zur Neige geht, haben wir genug Zeit, um ein solches Projekt umzusetzen. Und es ist das Land, das in der Lage sein wird, es umzusetzen, das in Zukunft führend sein wird, und wenn wir unsere Anstrengungen bündeln, können wir größere Ergebnisse und in einem schnelleren Zeitrahmen erzielen.

Warum also thermonukleare Energie? Weil es:

Große Energiequelle mit reichlich und überall verfügbarem Brennstoff.

Sehr geringe globale Umweltbelastung - Keine CO2-Emissionen.

- Der „Alltagsbetrieb“ des Kraftwerks erfordert keinen Transport radioaktiver Stoffe.

Das Kraftwerk ist sicher, ohne die Möglichkeit einer „Kernschmelze“ oder „unkontrollierten Reaktion“.

Es gibt keinen radioaktiven Abfall, was kein Problem für zukünftige Generationen darstellt.

Es ist rentabel: Es werden etwa 100 kg Deuterium benötigt, um 1 GW Energie zu erzeugen, und 3 Tonnen natürliches Lithium, um es ein ganzes Jahr lang zu verwenden, was etwa 7 Milliarden kWh erzeugt

3. Fazit

Energie ist also eine wichtige Ressource, die für das angenehme Dasein der Menschheit notwendig ist. Und die Gewinnung von Energie ist eines der Hauptprobleme der Menschheit. Heutzutage wird Öl aktiv als Quelle für elektrische Energie und Brennstoffe genutzt, aber es ist nicht unendlich, und seine Reserven nehmen jedes Jahr ab. Und die derzeit entwickelten Alternativen erlauben es nicht, Öl vollständig zu ersetzen oder haben schwerwiegende Nachteile.

Die einzige Energiequelle, die heute die notwendige Energiemenge für die gesamte Menschheit bereitstellen kann und gleichzeitig keine schwerwiegenden Mängel aufweist, ist thermonukleare Energie, die auf der Verwendung von Helium 3 basiert. Die Technologie zur Gewinnung von Energie aus dieser Reaktion ist mühsam und erfordert große Investitionen, aber die so gewonnene Energie ist umweltfreundlich und wird in Milliarden Kilowatt berechnet.

Wenn Sie billige und umweltfreundliche Energie erhalten, können Sie Öl so weit wie möglich ersetzen, z. B. Benzinmotoren zugunsten von Elektromotoren aufgeben, Wärme mit Strom erzeugen usw. Öl als Rohstoff für die chemische Produktion wird es also der Menschheit für viele Jahrhunderte ausreichen.

Daher muss auf dem Mond (der die Hauptquelle für Helium 3 ist) eine Industrie geschaffen werden. Um eine Industrie zu gründen, braucht man einen Entwicklungsplan, und das dauert mehrere Jahre, und je früher man anfängt, desto besser. Denn wenn Sie es bereits in einer aussichtslosen Situation (z. B. während einer Energiekrise) dringend tun müssen, entstehen ganz andere Ausgaben.

Und das Land, das sich schneller in diese Richtung entwickelt, wird in Zukunft führend sein. Denn Energie ist die Zukunft.

4. Liste der verwendeten Literatur

1. http://ru.wikipedia.org/ - Weltenzyklopädie

2. http://www.zlev.ru/61_59.htm - Die Zeitschrift "Goldener Löwe" Nr. 61-62 - die Veröffentlichung des russischen konservativen Denkens, Wann wird das Öl ausgehen?

3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html - VIEW / Wenn das Öl ausgeht

4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - VIEW / Der Welt geht das Öl aus

5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html ->Eine Alternative zu Öl?. Fakultät für Molekulare und Biologische Physik, Moskauer Institut für Physik und Technologie. "Phystech-Portal", "Phystech-Center"

6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - NUCLEAR ENERGY - Internet-Enzyklopädie, erklärendes Wörterbuch.

7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 - Woher kommt der Strom (Vorgeschichte)

8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm - Energie aus Biomasse. UNDP/GEF-Projekt BYE/03/G31 in Weißrussland

9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Vor- und Nachteile der Windenergie. Prinzipien der Windenergieumwandlung. Windkraft

10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ - Wasserstoffenergie. Energie und Energetik.

11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Primärenergiequellen und Fusionsenergie

12. http://tw.org.ua/board/index.php?showtopic=162 - Thermonukleare Energie

13. http://www.helium3.ru/main.php?video=yes - Helium-3, Helium-3

14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - HELIUM-DREI - ENERGIE DER ZUKUNFT - Mondprogramm - Artikelkatalog - Entwicklung

15. http://www.fp7-bio.ru/presentations/fisheries/bioetanol.pdf/at_download/file - Energie der Zukunft

16. http://www.scienmet.net/ - Windgenerator, Windenergie

17. http://oil-resources.info - Brennstoffressourcen

18.http://ru.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_energy.

19.http://www.ruscourier.ru/archive/2593 - Nachteile von Wasserstoff

20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html - Energie aus der Tiefe - www.intersolar.ru

21.http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/en/feature/feature09.html – NIPPONIA Nr. 28, 15. März 2004

22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc - alternative Energiequellen

23. http://www.rosnpp.org.ru/aes_preimush.shtml - Kernkraftwerke

24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ - Kernenergie

25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm - thermonukleare Energie in Aktion

26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 - Unternehmen KM.RU. Die Zukunft der russischen Energiewirtschaft liegt in Biokraftstoffen und thermonuklearer Energie

Zusammensetzung und Struktur

Physikalische Eigenschaften

Verwendungszweck

Neutronenzähler

Mit Helium-3 gefüllte Gaszähler werden für den Neutronennachweis verwendet. Dies ist die gebräuchlichste Methode zur Messung des Neutronenflusses. Sie reagieren

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Die geladenen Reaktionsprodukte - Triton und Proton - werden von einem Gaszähler registriert, der im Modus eines Proportionalzählers oder eines Geiger-Müller-Zählers arbeitet.

Erzielen von ultraniedrigen Temperaturen

Durch Auflösen von flüssigem Helium-3 in Helium-4 werden Millikelvin-Temperaturen erreicht.

Die Medizin

Polarisiertes Helium-3 (es kann lange gelagert werden) wurde kürzlich in der Magnetresonanztomographie verwendet, um die Lunge mittels Kernspinresonanz abzubilden.

Preis

Der Durchschnittspreis von Helium-3 im Jahr 2009 betrug 930 $ pro Liter.

Helium-3 als Kernbrennstoff

Die Reaktion 3 He + D → 4 He + p hat gegenüber der am besten erreichbaren Deuterium-Tritium-Reaktion T + D → 4 He + n unter irdischen Bedingungen eine Reihe von Vorteilen. Zu diesen Vorteilen gehören:

Zu den Nachteilen der Helium-Deuterium-Reaktion gehört eine deutlich höhere Temperaturschwelle. Eine Temperatur von etwa einer Milliarde Grad muss erreicht werden, bevor sie beginnen kann.

Derzeit wird Helium-3 nicht aus natürlichen Quellen gewonnen, sondern künstlich beim Zerfall von Tritium erzeugt. Letzteres wurde für thermonukleare Waffen durch Bestrahlung von Bor-10 und Lithium-6 in Kernreaktoren hergestellt.

Helium-3-Abbaupläne auf dem Mond

Helium-3 ist ein Nebenprodukt von Reaktionen, die auf der Sonne stattfinden. Auf der Erde wird es in sehr kleinen Mengen abgebaut, die auf mehrere zehn Gramm pro Jahr geschätzt werden.

Instabil (weniger als ein Tag): 5 Er: Helium-5, 6 Er: Helium-6, 7 Er: Helium-7, 8 Er: Helium-8, 9 Er: Helium-9, 10 Er: Helium-10

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

Sehen Sie, was "Helium-3" in anderen Wörterbüchern ist:

- (lat. Helium) He, ein chemisches Element der Gruppe VIII des Periodensystems, Ordnungszahl 2, Atommasse 4,002602, gehört zu den Edelgasen; farb- und geruchlos, Dichte 0,178 g/l. Es ist schwieriger zu verflüssigen als alle bekannten Gase (bei 268,93 °C); ... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

- (Griechisch, von helyos Sonne). Ein Elementarkörper, der im Sonnenspektrum entdeckt wurde und auf der Erde in einigen seltenen Mineralien vorhanden ist; ist in Spuren in der Luft vorhanden. Wörterbuch der in der russischen Sprache enthaltenen Fremdwörter. Chudinov A.N ... Wörterbuch der Fremdwörter der russischen Sprache

- (Symbol He), ein gasförmiges nichtmetallisches Element, EDELGAS, das 1868 entdeckt wurde. Erstmals 1895 aus dem Mineral Clevit (eine Art Uranit) gewonnen. Derzeit ist seine Hauptquelle Erdgas. Ebenfalls enthalten in... Wissenschaftliches und technisches Lexikon

Ich, Ehemann. , alt Eliy, I. Vater: Gelievich, Gelievna Abkömmlinge: Gelya (Gela); Elya Herkunft: (aus dem Griechischen. hēlios sun.) Namenstag: 27. Juli Wörterbuch der Personennamen. Helium Siehe Ellius. Tag Engel. Bezug … Wörterbuch der Personennamen

HELIUM- chem. Element, Symbol He (lat. Helium), at. n. 2, bei. m. 4.002, bezieht sich auf Inertgase (Edelgase); farb- und geruchlos, Dichte 0,178 kg/m3. Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoff ein einatomiges Gas, dessen Atom aus einem Kern und zwei Elektronen besteht; gebildet... Große polytechnische Enzyklopädie

Helium-drei. Seltsamer und unverständlicher Satz. Je weiter wir jedoch gehen, desto mehr werden wir es hören. Denn laut Experten ist es Helium-3, das unsere Welt vor der drohenden Energiekrise retten wird. Und in diesem Unternehmen spielt Russland die aktivste Rolle.

Mond

Die vielversprechende thermonukleare Energie, die auf der Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion basiert, ist zwar sicherer als die Energie der Kernspaltung, die in modernen Kernkraftwerken verwendet wird, hat jedoch noch eine Reihe erheblicher Nachteile.

Erstens, setzt diese Reaktion eine viel größere (um eine Größenordnung!) Anzahl hochenergetischer Neutronen frei. Keines der bekannten Materialien hält einem so intensiven Neutronenfluss länger als sechs Jahre stand – obwohl es sinnvoll ist, einen Reaktor mit einer Lebensdauer von mindestens 30 Jahren zu bauen. Folglich muss die erste Wand eines Tritium-Fusionsreaktors ersetzt werden - und das ist ein sehr komplizierter und teurer Vorgang, der auch mit einer längeren Stilllegung des Reaktors verbunden ist.
Zweitens, ist es notwendig, das Magnetsystem des Reaktors vor starker Neutronenstrahlung abzuschirmen, was die Konstruktion verkompliziert und dementsprechend die Kosten erhöht.
Drittens, werden viele Elemente des Designs des Tritiumreaktors nach dem Ende des Betriebs hochaktiv sein und eine lange Zeit in eigens dafür geschaffenen Lagern vergraben werden müssen.

Im Fall der Verwendung von Deuterium mit einem Helium-3-Isotop anstelle von Tritium in einem thermonuklearen Reaktor können die meisten Probleme gelöst werden. Die Intensität des Neutronenflusses sinkt um den Faktor 30 – dementsprechend kann problemlos eine Lebensdauer von 30-40 Jahren gewährleistet werden. Nach Abschluss des Betriebs des Heliumreaktors entstehen keine hochaktiven Abfälle, und die Radioaktivität der Bauelemente wird so gering sein, dass sie buchstäblich auf einer leicht mit Erde bestreuten Müllkippe vergraben werden können.

Was ist das Problem? Warum verwenden wir immer noch keinen so profitablen Fusionsbrennstoff?

Analyse von sechs Bodenproben, die von den Apollo-Expeditionen mitgebracht wurden, und zwei Proben, die von sowjetischen automatischen Stationen geliefert wurden " Mond“, zeigte, dass der Regolith, der alle Meere und Plateaus des Mondes bedeckt, bis zu 106 Tonnen Helium-3 enthält, was den Energiebedarf der Erde für ein Jahrtausend decken würde, sogar um ein Vielfaches erhöht im Vergleich zu modernen! Nach modernen Schätzungen sind die Helium-3-Reserven auf dem Mond um drei Größenordnungen größer - 109 Tonnen.

Helium-3-Produktionsprojekte

Um das kostbare Isotop zu gewinnen, müssen daher riesige Mengen krümeliger Monderde verarbeitet werden.

Unter Berücksichtigung aller Merkmale sollte die Helium-3-Produktionstechnologie die folgenden Prozesse umfassen:

1. Gewinnung von Regolith.

Spezielle „Harvester“ werden Regolith aus der etwa 2 m dicken Deckschicht sammeln und an Verarbeitungsstellen liefern oder direkt im Abbauprozess verarbeiten.

2. Freisetzung von Helium aus Regolith.

3. Lieferung zur Erde durch wiederverwendbare Raumfahrzeuge.

Technologisches Hauptproblem

Auf dem Weg zur Energieerzeugung auf Basis von Helium-3 gibt es ein wichtiges Problem. Tatsache ist, dass die Deuterium-Helium-3-Reaktion wesentlich schwieriger durchzuführen ist als die Deuterium-Tritium-Reaktion.

Zunächst einmal ist es äußerst schwierig, eine Mischung dieser Isotope zu entzünden. Die berechnete Temperatur, bei der eine thermonukleare Reaktion in einem Deuterium-Tritium-Gemisch abläuft, beträgt 100-200 Millionen Grad. Bei Verwendung von Helium-3 liegt die erforderliche Temperatur um zwei Größenordnungen höher. Tatsächlich müssen wir eine kleine Sonne auf der Erde anzünden.

Die Geschichte der Entwicklung der Kernenergie (das letzte halbe Jahrhundert) zeigt jedoch einen Anstieg der erzeugten Temperaturen um eine Größenordnung über 10 Jahre. Bereits 1990 wurde am europäischen JET-Tokamak Helium-3 verbrannt, die resultierende Leistung betrug 140 kW. Etwa zur gleichen Zeit erreichte der amerikanische Tokamak TFTR die zum Starten der Reaktion erforderliche Temperatur in einem Deuterium-Helium-Gemisch.

Das Gemisch zu entzünden ist jedoch die halbe Miete. Der Nachteil der thermonuklearen Energie ist die Schwierigkeit, praktische Erträge zu erzielen, da der Arbeitskörper auf viele Millionen Grad Plasma erhitzt wird, das in einem Magnetfeld gehalten werden muss.

Plasmazähmungsexperimente werden seit vielen Jahrzehnten durchgeführt, aber erst Ende Juni letzten Jahres unterzeichneten Vertreter mehrerer Länder in Moskau ein Abkommen über den Bau des International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in Südfrankreich die Stadt Cadarache, ein Prototyp eines praktischen thermonuklearen Kraftwerks. ITER wird Deuterium und Tritium als Brennstoff verwenden.

Ein Helium-3-Fusionsreaktor wird strukturell komplexer sein als ITER und ist bisher nicht einmal in den Projekten. Und obwohl Experten hoffen, dass in den nächsten 20-30 Jahren ein Helium-3-Reaktor-Prototyp auftaucht, bleibt diese Technologie reine Fantasie.

Das Problem der Helium-3-Produktion wurde von Experten während der Anhörungen zur zukünftigen Erforschung und Erforschung des Mondes analysiert, die im April 2004 im Unterausschuss für Raumfahrt und Luftfahrt des Wissenschaftsausschusses des Abgeordnetenhauses des US-Kongresses stattfanden. Ihr Fazit war eindeutig: Auch in ferner Zukunft ist die Förderung von Helium-3 auf dem Mond völlig unrentabel.

Wie John Logsdon, Direktor des Space Policy Institute in Washington, sagte: „Die US-Weltraumgemeinschaft betrachtet den Abbau von Helium-3 nicht als ernsthaften Vorwand, um zum Mond zurückzukehren. Wegen dieses Isotops dorthin zu fliegen, ist, als würde man Kolumbus vor fünfhundert Jahren nach Indien schicken, um Uran zu holen. Er kann es bringen, und er hätte es gebracht, nur wüßte für ein paar hundert Jahre niemand etwas damit anzufangen.

Helium-3-Mining als nationales Projekt

„Wir sprechen jetzt über die thermonukleare Energie der Zukunft und einen neuen ökologischen Brennstofftyp, der auf der Erde nicht produziert werden kann. Wir sprechen über die industrielle Entwicklung des Mondes zur Gewinnung von Helium-3.

Diese Aussage des Chefs des Raketen- und Raumfahrtkonzerns Energia, Nikolai Sevastyanov, wurde von russischen wissenschaftlichen Beobachtern als Antrag auf Bildung eines neuen "nationalen Projekts" wahrgenommen.

Tatsächlich bestand gerade im 20. Jahrhundert eine der Hauptaufgaben des Staates darin, gesellschaftliche Aufgaben an der Grenze der Vorstellungskraft zu formulieren. Das galt auch für den Sowjetstaat: Elektrifizierung, Industrialisierung, die Entstehung der Atombombe, der erste Satellit, die Wende der Flüsse.

Heute ist der Staat in der Russischen Föderation bemüht, aber nicht in der Lage, Aufgaben am Rande des Unmöglichen zu formulieren. Der Staat braucht jemanden, der ihm ein bundesweites Projekt zeigt und den Nutzen begründet, der sich theoretisch aus diesem Projekt ergibt. Das Programm zur Entwicklung und Produktion von Helium-3 vom Mond zur Erde zur Versorgung thermonuklearer Energie mit Brennstoff erfüllt diese Anforderungen in idealer Weise.

„Ich denke nur, dass es bei einem großen technologischen Problem einen Mangel gibt“, sagte Alexander Zakharov, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, wissenschaftlicher Sekretär des Instituts für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften, in einem Interview. - Vielleicht ist aus diesem Grund all dieses Gerede über die Produktion von Helium-3 auf dem Mond für thermonukleare Energie entstanden. Wenn ein Mond- eine Mineralquelle, und von dort aus dieses Helium-3 zu transportieren, aber es gibt nicht genug Energie auf der Erde ... All dies ist verständlich, es klingt sehr schön. Und dafür ist es vielleicht einfach, einflussreiche Leute davon zu überzeugen, Geld zu verteilen. Ich glaube schon".

Dieses Isotop soll auf dem Mond für den Bedarf an thermonuklearer Energie abgebaut werden. Dies ist jedoch eine Frage der fernen Zukunft. Dennoch ist Helium-3 heute besonders in der Medizin sehr gefragt.

Wladimir Teslanko

Die Gesamtmenge an Helium-3 in der Erdatmosphäre wird auf nur 35.000 Tonnen geschätzt, sein Strom aus dem Mantel in die Atmosphäre (durch Vulkane und Verwerfungen in der Erdkruste) beträgt mehrere Kilogramm pro Jahr. Im Regolith des Mondes sammelte sich Helium-3 nach und nach über Hunderte von Millionen Jahren an, in denen es dem Sonnenwind ausgesetzt war. Als Ergebnis enthält eine Tonne Mondboden 0,01 g Helium-3 und 28 g Helium-4; Dieses Isotopenverhältnis (~0,04%) ist viel höher als in der Erdatmosphäre.

Die ehrgeizigen Pläne zur Gewinnung von Helium-3 auf dem Mond, die nicht nur von Weltraumführern (Russland und USA), sondern auch von Newcomern (China und Indien) ernsthaft in Betracht gezogen werden, sind mit den Hoffnungen verbunden, die in dieses Isotop gesetzt werden durch die Energiewirtschaft. Die Kernreaktion 3He+D→4He+p hat gegenüber der am besten erreichbaren Deuterium-Tritium-Reaktion T+D→4He+n unter irdischen Bedingungen eine Reihe von Vorteilen.

Zu diesen Vorteilen gehört ein um ein Dutzend Mal geringerer Neutronenfluss aus der Reaktionszone, wodurch die induzierte Radioaktivität und die Verschlechterung der Strukturmaterialien des Reaktors drastisch reduziert werden. Darüber hinaus wird eines der Reaktionsprodukte, Protonen, im Gegensatz zu Neutronen, leicht eingefangen und kann zur Erzeugung zusätzlicher Elektrizität verwendet werden. Gleichzeitig sind sowohl Helium-3 als auch Deuterium inaktiv, ihre Lagerung erfordert keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen, und im Falle eines Reaktorunfalls mit Druckentlastung des Kerns ist die Radioaktivität der Freisetzung nahe Null. Die Helium-Deuterium-Reaktion hat auch einen schwerwiegenden Nachteil - eine deutlich höhere Temperaturschwelle (eine Temperatur in der Größenordnung von einer Milliarde Grad ist erforderlich, um die Reaktion zu starten).

Obwohl dies alles Zukunftsmusik ist, ist Helium-3 schon jetzt extrem gefragt. Zwar nicht für Energie, aber für die Kernphysik, die Tieftemperaturindustrie und die Medizin.

Magnetresonanztomographie

Seit ihren Anfängen in der Medizin hat sich die Magnetresonanztomographie (MRT) zu einer der wichtigsten diagnostischen Methoden entwickelt, mit der Sie ohne Schaden „in“ verschiedene Organe schauen können.

Etwa 70 % der Masse des menschlichen Körpers fällt auf Wasserstoff, dessen Kern, das Proton, einen bestimmten Spin und ein damit verbundenes magnetisches Moment besitzt. Wenn ein Proton in ein externes konstantes Magnetfeld gebracht wird, sind der Spin und das magnetische Moment entweder entlang des Felds oder darauf zu ausgerichtet, und die Energie des Protons ist im ersten Fall geringer als im zweiten. Ein Proton kann vom ersten Zustand in den zweiten überführt werden, indem ihm eine genau definierte Energie gleich der Differenz dieser Energieniveaus übertragen wird, beispielsweise durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Feldquanten einer bestimmten Frequenz.

Wie man Helium-3 magnetisiert

Der einfachste und direkteste Weg, Helium-3 zu magnetisieren, besteht darin, es in einem starken Magnetfeld zu kühlen. Die Effizienz dieser Methode ist jedoch sehr gering, außerdem erfordert sie starke Magnetfelder und niedrige Temperaturen. In der Praxis wird daher die Methode des optischen Pumpens verwendet - die Übertragung von Spin auf Heliumatome von polarisierten Pumpphotonen. Im Fall von Helium-3 geschieht dies in zwei Stufen: optisches Pumpen im metastabilen Zustand und Spinaustausch zwischen Heliumatomen im Grund- und metastabilen Zustand. Technisch wird dies realisiert, indem eine Zelle mit Helium-3, das durch eine schwache elektrische Hochfrequenzentladung in einen metastabilen Zustand überführt wurde, mit zirkular polarisierter Laserstrahlung in Gegenwart eines schwachen Magnetfelds bestrahlt wird. Polarisiertes Helium kann in einem mit Cäsium ausgekleideten Gefäß bei einem Druck von 10 Atmosphären etwa 100 Stunden gelagert werden.

Genau so funktioniert ein MRT-Scanner, nur erkennt er keine einzelnen Protonen. Wenn wir eine Probe, die eine große Anzahl von Protonen enthält, in ein starkes Magnetfeld bringen, dann ist die Anzahl der Protonen mit einem magnetischen Moment, das entlang und entgegengesetzt zum Feld gerichtet ist, ungefähr gleich. Wenn wir beginnen, diese Probe mit elektromagnetischer Strahlung einer fest definierten Frequenz zu bestrahlen, drehen sich alle Protonen mit einem magnetischen Moment (und Spin) „entlang des Feldes“ um und nehmen die Position „zum Feld hin“ ein. In diesem Fall kommt es zu einer resonanten Absorption von Energie und während des Prozesses der Rückkehr in den Ausgangszustand, Entspannung genannt, zu einer Reemission der empfangenen Energie, die detektiert werden kann. Dieses Phänomen wird Kernspinresonanz, NMR, genannt. Die mittlere Polarisation einer Substanz, von der das Nutzsignal in der NMR abhängt, ist direkt proportional zur Stärke des äußeren Magnetfeldes. Um ein Signal zu erhalten, das detektiert und von Rauschen getrennt werden kann, ist ein supraleitender Magnet erforderlich - nur er kann ein Magnetfeld mit einer Induktion in der Größenordnung von 1-3 T erzeugen.

magnetisches Gas

Ein MR-Tomograph „sieht“ Protonencluster und eignet sich daher hervorragend zur Untersuchung und Diagnose von Weichteilen und Organen, die große Mengen an Wasserstoff (hauptsächlich in Form von Wasser) enthalten, und ermöglicht auch die Unterscheidung der magnetischen Eigenschaften von Molekülen. Auf diese Weise können Sie beispielsweise arterielles Blut mit Hämoglobin (dem Hauptsauerstoffträger im Blut) von venösem Blut mit paramagnetischem Deoxyhämoglobin unterscheiden - dies ist die Grundlage der fMRT (funktionelle MRT), mit der Sie die Aktivität des Gehirns verfolgen können Neuronen.

Aber leider ist eine so wunderbare Technik wie die MRT völlig ungeeignet, um luftgefüllte Lungen zu untersuchen (selbst wenn Sie sie mit Wasserstoff füllen, wird das Signal eines gasförmigen Mediums mit geringer Dichte vor dem Rauschhintergrund zu schwach sein). Und die Weichteile der Lunge sind mit Hilfe des MRT nicht sehr gut sichtbar, weil sie „porös“ sind und wenig Wasserstoff enthalten.

Kann man diese Einschränkung umgehen? Es ist möglich, wenn Sie ein "magnetisiertes" Gas verwenden - in diesem Fall wird die durchschnittliche Polarisation nicht durch ein externes Feld bestimmt, da alle (oder fast alle) magnetischen Momente in eine Richtung ausgerichtet sind. Und das ist keine Fiktion: 1966 erhielt der französische Physiker Alfred Kastler den Nobelpreis mit der Formulierung „Für die Entdeckung und Entwicklung optischer Methoden zur Untersuchung der Hertzschen Resonanzen in Atomen“. Er befasste sich mit Fragen der optischen Polarisation von Spinsystemen – also eben der „Magnetisierung“ von Gasen (insbesondere Helium-3) durch optisches Pumpen bei resonanter Absorption von Photonen mit zirkularer Polarisation.

Kernspinresonanz nutzt die magnetischen Eigenschaften von Wasserstoffkernen - Protonen. Ohne äußeres Magnetfeld sind die magnetischen Momente der Protonen willkürlich orientiert (wie im ersten Bild). Wenn ein starkes Magnetfeld angelegt wird, sind die magnetischen Momente der Protonen parallel zum Feld orientiert, entweder „entlang“ oder „in Richtung“. Diese beiden Positionen haben unterschiedliche Energien (2). Ein Hochfrequenzpuls mit einer der Energiedifferenz entsprechenden Resonanzfrequenz „dreht“ die magnetischen Momente der Protonen „in Richtung“ des Feldes (3). Nach dem Ende des Hochfrequenzimpulses erfolgt ein umgekehrter "Flip", und die Protonen emittieren bei der Resonanzfrequenz. Dieses Signal wird vom Hochfrequenzsystem des Tomographen empfangen und vom Computer zum Erstellen des Bildes (4) verwendet.

Tief einatmen

Die Verwendung polarisierter Gase in der Medizin wurde von einer Gruppe von Forschern der Princeton und der New York University in Stony Brook entwickelt. 1994 veröffentlichten Wissenschaftler einen Artikel in der Zeitschrift Nature, der das erste MRT-Bild einer Mauslunge zeigte.

Die MRT ist zwar nicht ganz Standard - die Technik basierte nicht auf der Reaktion von Wasserstoffkernen (Protonen), sondern von Xenon-129-Kernen. Außerdem war das Gas nicht ganz gewöhnlich, sondern im Voraus hyperpolarisiert, dh „magnetisiert“. Damit war eine neue Diagnosemethode geboren, die bald auch in der Humanmedizin Anwendung fand.

Hyperpolarisiertes Gas (normalerweise mit Sauerstoff gemischt) dringt in die entferntesten Winkel der Lunge ein, was es ermöglicht, ein MRT-Bild mit einer Auflösung zu erhalten, die um eine Größenordnung höher ist als die der besten Röntgenstrahlen. Es ist sogar möglich, eine detaillierte Karte des Sauerstoffpartialdrucks in jedem Bereich der Lunge zu erstellen und daraus Rückschlüsse auf die Qualität des Blutflusses und die Sauerstoffdiffusion in den Kapillaren zu ziehen. Diese Technik ermöglicht es, die Art der Lungenventilation bei Asthmatikern zu untersuchen und den Atmungsprozess kritischer Patienten auf der Ebene der Alveolen zu kontrollieren.

Wie MRT funktioniert. Ein MRT-Scanner erkennt Cluster von Protonen - die Kerne von Wasserstoffatomen. Daher zeigt die MR-Bildgebung Unterschiede im Gehalt an Wasserstoff (hauptsächlich Wasser) in verschiedenen Geweben. Es gibt andere Möglichkeiten, ein Gewebe von einem anderen zu unterscheiden (z. B. Unterschiede in den magnetischen Eigenschaften), die in spezialisierten Studien verwendet werden.

Die Vorteile der MRI mit hyperpolarisierten Gasen sind nicht darauf beschränkt. Da das Gas hyperpolarisiert ist, ist der nutzbare Signalpegel viel höher (etwa 10.000-fach). Das bedeutet, dass keine superstarken Magnetfelder benötigt werden, und führt zum Design sogenannter Niederfeld-MRT-Scanner – sie sind billiger, mobiler und viel geräumiger. In solchen Installationen werden Elektromagnete verwendet, die ein Feld in der Größenordnung von 0,005 T erzeugen, das hundertmal schwächer ist als bei herkömmlichen MRT-Scannern.

kleines Hindernis

Obwohl die ersten Experimente auf diesem Gebiet mit hyperpolarisiertem Xenon-129 durchgeführt wurden, wurde es bald durch Helium-3 ersetzt. Es ist harmlos, erzeugt schärfere Bilder als Xenon-129 und hat das dreifache magnetische Moment, was zu einem stärkeren NMR-Signal führt. Zudem ist die Anreicherung von Xenon-129 aufgrund der Massennähe zu anderen Xenon-Isotopen ein teurer Prozess, und die erreichbare Gaspolarisation ist deutlich geringer als die von Helium-3. Außerdem hat Xenon-129 eine beruhigende Wirkung.

Aber wenn Niederfeld-Tomographen einfach und billig sind, warum wird die hyperpolarisierte Helium-MRT jetzt nicht in jeder Klinik eingesetzt? Es gibt ein Hindernis. Aber was!

Erbe des Kalten Krieges

Der einzige Weg, Helium-3 zu gewinnen, ist der Zerfall von Tritium. Ein Großteil des 3He-Vorrats verdankt seinen Ursprung dem Zerfall von Tritium, das während des atomaren Wettrüstens während des Kalten Krieges produziert wurde. In den Vereinigten Staaten wurden bis 2003 etwa 260.000 Liter "rohes" (ungereinigtes) Helium-3 angesammelt, und bis 2010 blieben nur 12.000 Liter ungenutztes Gas übrig. Im Zusammenhang mit der steigenden Nachfrage nach diesem knappen Gas wurde 2007 die Produktion von Tritium in begrenzten Mengen sogar wieder aufgenommen, bis 2015 sollen jährlich weitere 8.000 Liter Helium-3 bezogen werden. Gleichzeitig liegt der Jahresbedarf dafür bereits bei mindestens 40.000 Litern (wovon nur 5 % in der Medizin verwendet werden). Im April 2010 kam das US-amerikanische Komitee für Wissenschaft und Technologie zu dem Schluss, dass eine Verknappung von Helium-3 zu echten negativen Folgen für viele Bereiche führen würde. Selbst Wissenschaftler, die in der US-Atomindustrie tätig sind, haben Schwierigkeiten, Helium-3 aus den staatlichen Beständen zu beziehen.

Kühlung mischen

Eine weitere Branche, die auf Helium-3 nicht verzichten kann, ist die Tieftemperaturindustrie. Um ultratiefe Temperaturen zu erreichen, werden die sog. Verdünnungskühlschrank, der den Effekt der Auflösung von Helium-3 in Helium-4 nutzt. Bei Temperaturen unter 0,87 K trennt sich das Gemisch in zwei Phasen, die reich an Helium-3 und Helium-4 sind. Der Übergang zwischen diesen Phasen erfordert Energie, und dies ermöglicht das Abkühlen auf sehr tiefe Temperaturen – bis hinunter zu 0,02 K. Das einfachste derartige Gerät verfügt über eine ausreichende Versorgung mit Helium-3, das allmählich durch die Grenzfläche in die Helium-4-reiche Phase übergeht Absorption von Energie. Wenn der Helium-3-Vorrat aufgebraucht ist, kann das Gerät nicht weiter arbeiten - es ist "Einweg".
Diese Kühlmethode wurde insbesondere im Orbital-Observatorium Planck der Europäischen Weltraumorganisation eingesetzt. Plancks Aufgabe war es, die Anisotropie des CMB (mit einer Temperatur von etwa 2,7 K) mit 48 auf 0,1 K gekühlten bolometrischen HFI-Detektoren (High Frequency Instrument) hochauflösend aufzuzeichnen. Bevor der Helium-3-Vorrat im Kühlsystem erschöpft war , gelang es Planck, 5 Aufnahmen des Himmels im Mikrowellenbereich zu machen.

Der Auktionspreis von Helium-3 schwankt um 2.000 $ pro Liter, und es ist kein Abwärtstrend zu beobachten. Der Mangel an diesem Gas ist darauf zurückzuführen, dass der Großteil von Helium-3 zur Herstellung von Neutronendetektoren verwendet wird, die in Geräten zum Nachweis von Kernmaterial verwendet werden. Solche Detektoren registrieren Neutronen gemäß der (n, p)-Reaktion – dem Einfangen eines Neutrons und der Emission eines Protons. Und um Importversuche von Nuklearmaterial zu erkennen, sind viele solcher Detektoren erforderlich - Hunderttausende von Stücken. Aus diesem Grund ist Helium-3 unglaublich teuer und für die Massenmedizin unzugänglich geworden.

Es gibt jedoch Hoffnungen. Sie werden zwar nicht dem lunaren Helium-3 zugeordnet (dessen Produktion noch in weiter Ferne liegt), sondern Tritium, das in Schwerwasserreaktoren vom Typ CANDU gebildet wird, die in Kanada, Argentinien, Rumänien, China und Süd betrieben werden Korea.

Wahrscheinlich sind nur wenige Dinge auf dem Gebiet der thermonuklearen Energie von Mythen wie Helium 3 umgeben. In den 80er und 90er Jahren wurde es aktiv als Brennstoff populär gemacht, der alle Probleme der kontrollierten thermonuklearen Fusion lösen würde, sowie als einer der Gründe, auszusteigen die Erde (weil auf ihrer Erde buchstäblich ein paar hundert Kilogramm und auf dem Mond eine Milliarde Tonnen liegen) und schließlich mit der Erforschung des Sonnensystems beginnen. All dies basiert auf sehr seltsamen Vorstellungen über die Möglichkeiten, Probleme und Bedürfnisse der heute nicht existierenden thermonuklearen Energie, über die wir sprechen werden.

Die Maschine zum Schürfen von Helium3 auf dem Mond ist bereits fertig, es muss nur noch eine Verwendung dafür gefunden werden.

Wenn sie von Helium3 sprechen, meinen sie thermonukleare Fusionsreaktionen He3 + D -> He4 + H oder He3 + He3 -> 2He4 + 2H. Im Vergleich zu Klassik D + T -> He4 +n es gibt keine Neutronen in den Reaktionsprodukten, was bedeutet, dass es keine Aktivierung der Konstruktion eines thermonuklearen Reaktors durch superenergetische Neutronen gibt. Zudem gilt als Problem, dass Neutronen der „Klassiker“ 80 % der Energie aus dem Plasma abtransportieren, sodass die Eigenerwärmungsbilanz bei höherer Temperatur auftritt. Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil der Helium-Version ist, dass Strom direkt aus den geladenen Teilchen der Reaktion gewonnen werden kann und nicht wie in alten Kohlekraftwerken durch Erhitzen von Wasser mit Neutronen.

All dies ist also nicht wahr, oder eher ein sehr kleiner Teil der Wahrheit.

Beginnen wir damit, dass bei gleicher Plasmadichte und optimaler Temperatur die Reaktion He3 + D nachgibt 40 Mal weniger Energiefreisetzung pro Kubikmeter Arbeitsplasma. In diesem Fall ist die für einen mindestens 40-fachen Bruch erforderliche Temperatur zehnmal höher - 100 keV (bzw eine Milliarde Grad) gegenüber 10 für D + T. An sich ist eine solche Temperatur durchaus erreichbar (der Rekord für Tokamaks liegt heute bei 50 keV, nur zweimal schlechter), aber um eine Energiebilanz herzustellen (Kühlrate vs. Heizrate, einschließlich Eigenerwärmung), müssen wir sie erhöhen die Energiefreisetzung um das 50-fache aus Kubikmetern He3 + D-Reaktion, was nur durch Erhöhung der Dichte um das gleiche 50-fache erfolgen kann. In Kombination mit einer zehnfachen Temperaturerhöhung ergibt sich daraus Erhöhung des Plasmadrucks um das 500-fache- von 3-5 atm auf 1500-2500 atm und die gleiche Erhöhung des Gegendrucks, um dieses Plasma zu halten.

Aber die Bilder sind inspirierend.

Erinnern Sie sich, ich habe geschrieben, dass die Magnete des ITER-Ringfelds, die einen Gegendruck zum Plasma erzeugen, absolut rekordverdächtige Produkte sind, die einzigen auf der Welt in Bezug auf Parameter? He3-Fans schlagen daher vor, Magnete 500-mal stärker zu machen.

Ok, vergessen Sie die Schwierigkeiten, vielleicht zahlen sich die Vorteile dieser Reaktion aus?

Verschiedene thermonukleare Reaktionen, die für CTS anwendbar sind. He3 + D gibt etwas mehr Energie als D + T, aber viel Energie wird für die Überwindung der Coulomb-Abstoßung aufgewendet (Ladung 3 und nicht 2), sodass die Reaktion langsam ist.

Beginnen wir mit Neutronen. Neutronen in einem Industriereaktor werden ein ernsthaftes Problem darstellen, da sie die Behältermaterialien beschädigen und alle dem Plasma zugewandten Elemente so stark erhitzen, dass sie mit einer angemessenen Menge Wasser gekühlt werden müssen. Und vor allem wird die Aktivierung von Materialien durch Neutronen dazu führen, dass selbst 10 Jahre nach dem Abschalten eines thermonuklearen Reaktors Tausende von Tonnen radioaktiver Strukturen vorhanden sein werden, die nicht von Hand zerlegt werden können und die in der Lagerung gealtert werden seit Hunderten und Tausenden von Jahren. Die Beseitigung von Neutronen würde es offensichtlich einfacher machen, ein thermonukleares Kraftwerk zu bauen.

Anteil der Energie, der von Neutronen weggetragen wird. Wenn Sie dem Reaktor mehr He3 hinzufügen, können Sie es auf 1% reduzieren, aber dies wird die Zündbedingungen weiter verschärfen.

Okay, aber wie sieht es mit der direkten Umwandlung der Energie geladener Teilchen in Strom aus? Experimente zeigen, dass der Fluss von Ionen mit einer Energie von 100 keV mit einem Wirkungsgrad von 80 % in Strom umgewandelt werden kann. Wir haben hier keine Neutronen... Ich meine, sie nehmen uns nicht die ganze Energie weg, die wir nur in Form von Wärme bekommen können - lassen Sie uns die Dampfturbinen abschaffen und Ionenkollektoren einbauen?

Ja, es gibt Technologien zur direkten Umwandlung von Plasmaenergie in Elektrizität, sie wurden in den 60er und 70er Jahren aktiv untersucht und zeigten einen Wirkungsgrad im Bereich von 50-60% (nicht 80, es sei darauf hingewiesen). Diese Idee ist jedoch sowohl in D + T-Reaktoren als auch in He3 + D schlecht anwendbar. Warum das so ist, hilft dieses Bild zu verstehen.

Es zeigt den Wärmeverlust des Plasmas über verschiedene Kanäle. Vergleiche D+T und D + He3. Transport ist das, was verwendet werden kann, um Plasmaenergie direkt in Strom umzuwandeln. Wenn uns bei der D+T-Variante alles durch fiese Neutronen weggenommen wird, dann wird uns bei He3+D alles durch die elektromagnetische Strahlung des Plasmas weggenommen, hauptsächlich Synchrotron- und Röntgenbremsstrahlung (im Bild Bremsstrahlung). Die Situation ist fast symmetrisch, trotzdem muss Wärme von den Wänden abgeführt werden, und zwar durch direkte Umwandlung wir können nicht mehr als 10-15% herausziehen die Energie der thermonuklearen Verbrennung und der Rest - auf altmodische Weise durch eine Dampfmaschine.

Illustration in einer Studie zur direkten Plasmaenergieumwandlung an der größten offenen Falle Gamma-10 in Japan.

Neben theoretischen Einschränkungen gibt es auch technische - in der Welt (einschließlich der UdSSR) wurden gigantische Anstrengungen unternommen, um Anlagen zur direkten Umwandlung von Plasmaenergie in Strom für konventionelle Kraftwerke zu schaffen, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert werden konnte 35% bis 55%. Hauptsächlich basierend auf MHD-Generatoren. 30 Jahre Arbeit großer Teams endeten im Nullkommanichts - die Ressource der Installation betrug Hunderte von Stunden, während Energieingenieure Tausende und Zehntausende benötigen. Der gigantische Ressourcenaufwand für diese Technologie hat insbesondere dazu geführt, dass unser Land bei der Produktion von Gasturbinen und Dampf-Gas-Turbinen-Kreiskraftwerken (die genau die gleiche Effizienzsteigerung bringen - von 35 auf 55 %!).

Übrigens werden auch für MHD-Generatoren leistungsstarke supraleitende Magnete benötigt. Hier sind die SP-Magnete für einen 30-MW-MHD-Generator dargestellt.