Bit će potrebno dosta vremena, prema 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 vodik. Posljednjih godina sve se češće može čuti o novom spasu za planet tzv helij-3. Da se ova tvar može koristiti kao sirovina za elektrane, razmišljalo se relativno nedavno.

Opći podaci o tvari: svojstva

Godine 1934. australski fizičar Mark Oliphant, dok je radio u laboratoriju Cavendish na Sveučilištu Cambridge u Engleskoj, došao je do izuzetnog otkrića. Tijekom prve demonstracije nuklearne fuzije bombardiranjem mete deuterona, pretpostavio je postojanje novog izotopa kemijskog elementa broj 2. Danas je poznat i kao helij-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 stupnjeva Celzijusa). Tijekom vrenja tvar gubi polovicu svoje gustoće;
• Kutni moment je ½, što ga čini fermionom;
• Latentna toplina isparavanja je 0,026 kJ/mol;

Pet godina nakon otkrića Marka Oliphanta, njegove teorijske konstrukcije dobile su eksperimentalnu potvrdu. I nakon 9 godina znanstvenici su uspjeli dobiti spoj u tekući oblik . Kako se pokazalo, u ovom stanju agregacije, helij-3 ima superfluidna svojstva.

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

Ekstrakcija helija-3 na Mjesecu

Tijekom milijardi godina, solarni vjetar je taložio ogromnu količinu helija-3 u površinski sloj regolita. Prema procjenama, njegova količina na Zemljinom satelitu može doseći 10 milijuna tona.

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

• U siječnju 2006. ruska tvrtka Energia objavila je planove za početak geoloških radova na Mjesecu do 2020. godine. Danas je budućnost projekta neizvjesna zbog teške ekonomske situacije u zemlji;
• Godine 2008. Indijska organizacija za svemirska istraživanja poslala je sondu na površinu zemljinog satelita, čiji je jedan od ciljeva bio proučavanje minerala koji sadrže helij;
• Kina također ima svoje poglede na nalazišta dragocjenih sirovina. Prema planovima, prema satelitu bi trebala slati tri shuttlea godišnje. Energija proizvedena iz ovog goriva više će nego pokriti potrebe cijelog čovječanstva.

Zasad je to san koji se može vidjeti samo u znanstveno-fantastičnim filmovima. Među njima su "Mjesec" (2009.) i "Željezno nebo" (2012.).

U ovom videu fizičar Boris Romanov otkrit će vam u kakvom je obliku helij-3 na Mjesecu i je li ga moguće uvesti od tamo:

Geokemijski podaci

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

• Ovo je glavna komponenta zemljinog plašta, koja je sintetizirana tijekom formiranja planeta. Njegova ukupna masa u ovom dijelu planeta je, prema različitim procjenama, od 0,1 do 1 milijun tona;
• Izlazi na površinu kao rezultat aktivnosti vulkana. Dakle, brda Havajskog otočja emitiraju oko 300 grama ove tvari godišnje. Srednjooceanski grebeni - oko 3 kilograma;
• Stotine tisuća tona izotopa helija mogu se naći na mjestima gdje se jedna litosferna ploča sudara s drugom. To bogatstvo nije moguće industrijski izvući na sadašnjem stupnju tehnološkog razvoja;
• Priroda nastavlja proizvoditi ovaj spoj sve do sada, kao rezultat raspada radioaktivnih elemenata u kori i plaštu;
• Može se naći u relativno malim količinama (do 0,5%) u nekim izvorima prirodnog plina. Prema procjenama stručnjaka, godišnje se u procesu transporta prirodnog plina izdvoji 26 m 3 helija-3;
• Prisutan je i u zemljinoj atmosferi. Njegov specifičan udio je otprilike 7,2 dijela na trilijun atoma drugih atmosferskih plinova. Prema posljednjim procjenama, ukupna masa atmosferskog 3 2 on doseže najmanje 37 tisuća tona.

Suvremena uporaba tvari

Gotovo cijeli izotop koji se koristi u nacionalnom gospodarstvu dobiva se radioaktivnim raspadom tricija, koji se u nuklearnom reaktoru bombardira neutronima litija-6.

Desetljećima helij-3 bio je samo nusproizvod u proizvodnji nuklearnih bojevih glava. No, nakon potpisivanja ugovora START-1 1991. velesile su smanjile proizvodnju projektila, zbog čega su se smanjili i proizvodi proizvodnje.

Danas je opseg proizvodnje izotopa u porastu jer je pronašao nove namjene:

1. Zbog relativno visokog žiromagnetskog omjera, čestice ove tvari koriste se u medicinskoj tomografiji pluća. Pacijent udiše plinsku smjesu koja sadrži hiperpolarizirane atome helija-3. Zatim, pod utjecajem infracrvenog laserskog zračenja, računalo crta anatomske i funkcionalne slike organa;
2. U znanstvenim laboratorijima ovaj se spoj koristi u kriogene svrhe. Isparavanjem s površine hladnjaka moguće je postići vrijednosti blizu 0,2 kelvina;
3. Posljednjih godina sve je popularnija ideja o korištenju tvari kao sirovine za elektrane. Prva takva instalacija izgrađena je 2010. godine u dolini Tennessee (SAD).

Helij-3 kao gorivo

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

Teoretski, ova tehnologija ima sljedeće prednosti:

1. Visoka učinkovitost, jer se elektrostatičko polje koristi za kontrolu fuzije iona. Kinetička energija protona izravno se pretvara u električnu pretvorbom u čvrstom stanju. Nema potrebe graditi turbine, koje se koriste u nuklearnim elektranama za pretvaranje energije protona u toplinu;
2. Niži, u usporedbi s drugim vrstama elektrana, kapitalni i operativni troškovi;
3. Ni zrak 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 uporaba fuzije neće započeti do 2050.

Među svim izotopima kemijskog elementa s rednim brojem 2, helij-3 se izdvaja. Što je to može se ukratko opisati sljedećim svojstvima: stabilan je (to jest, ne prolazi kroz transformacije kao rezultat zračenja), ima superfluidna svojstva u tekućem obliku i ima relativno malu masu.

Video o nastanku helija-3 u svemiru

U ovom videu fizičar Daniil Potapov ispričat će vam kako je helij-3 nastao u svemiru, kakvu je ulogu imao u nastanku svemira:

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

Što je helij-3?

Iz školskog tečaja fizike sjećamo se da je atomska masa helija četiri i da je ovaj element inertni plin. Problematično ga je koristiti u bilo kakvim kemijskim reakcijama, posebno s oslobađanjem energije. Sasvim druga stvar je izotop helija atomske mase 3. On je sposoban ući u termonuklearnu reakciju s deuterijem (izotopom vodika atomske mase 2), pri čemu se stvara gigantska energija zbog sinteza običnog helija-4 uz oslobađanje protona (3 He + D → 4 Not + p + energija). Slično tome, iz samo jednog grama helija-3 možete dobiti istu energiju kao pri spaljivanju 15 tona nafte.

Tone helija-3 bit će dovoljne za oslobađanje energije na razini od 10 GW tijekom godine. Tako će za pokrivanje svih trenutnih energetskih potreba Rusije biti potrebno 20 tona helija-3 godišnje, a za cijelo čovječanstvo oko 200 tona ovog izotopa godišnje. Pritom neće biti potrebe za spaljivanjem nafte i plina, čije zalihe, prema najnovijim procjenama istraženih zaliha ugljikovodika, nisu neograničene - čovječanstvo će ih imati dovoljno samo za pola stoljeća. Također neće biti potrebno raditi vrlo opasne nuklearne elektrane, koje su nakon Černobila i Fukushime dobile posebnu važnost.

Gdje nabaviti helij-3?

Uz suvremeni razvoj tehnologije, jedini stvarno dostupan izvor ovog elementa je površina Mjeseca. Sam po sebi, helij-3 nastaje u dubinama zvijezda (na primjer, naše Sunce) kao rezultat kombinacije dva atoma vodika.

U ovom slučaju, glavni proizvod ove reakcije je obični helij-4, a izotop-3 nastaje u malim količinama. Dio toga nosi solarni vjetar i ravnomjerno se raspoređuje po cijelom planetarnom sustavu.

Helij-3 praktički ne pada na Zemlju, budući da su njegovi atomi skrenuti magnetskim poljem našeg planeta. Ali na planetima koji nemaju takvo polje, element se taloži u gornjim slojevima tla i postupno se nakuplja. Najbliže nebesko tijelo Zemlji, koje nema magnetsko polje, je Mjesec, tako da su ovdje koncentrirane rezerve ovog dragocjenog nositelja energije koji je dostupan čovječanstvu.

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

Dakle, da bi se izvuklo spomenutih 20 tona helija-3 za potpuno zadovoljenje godišnjih energetskih potreba Ruske Federacije, bit će potrebno “okopati” 2000 milijuna tona Mjesečevog tla.

Fizički to odgovara nalazištu na Mjesecu dimenzija 20x20 km s dubinom kamenoloma od 3 m. Zadatak organiziranja tako velikog rudarenja prilično je težak, ali sasvim rješiv, sigurni su moderni inženjeri. Po svemu sudeći, dopremanje desetaka tona goriva za fuzijske peći na Zemlju postat će teži i skuplji problem.

Što čovječanstvu nedostaje za energetsku revoluciju helija?

Za razvoj na Zemlji punopravne termonuklearne energije temeljene na heliju-3, ljudi moraju riješiti tri glavna zadatka.

1. Stvaranje pouzdanih i moćnih sredstava za dostavu tereta duž rute Zemlja-Mjesec i natrag.

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

3. Izgradnja stvarnih termonuklearnih elektrana na Zemlji, za što će također biti potrebno prevladati određene tehnološke barijere.

Da bi riješio prvi problem, čovječanstvo se gotovo približilo. Sve četiri zemlje koje sudjeluju u Moon Race 2 plus Europska unija već su razvile ili razvijaju rakete teške klase koje mogu izbaciti tone tereta u Mjesečevu orbitu. Na primjer, do 2027. Rusija planira hardverski implementirati raketu-nosač Angara-A5V, koja će biti sposobna dostaviti najmanje 10 tona korisnog tereta na Mjesec. Bit će lakše s povratnim prijevozom, jer je Mjesečeva gravitacija 6 puta manja od Zemljine, ali tu će gorivo biti problem. Morat će se ili uvesti sa Zemlje ili proizvesti na površini našeg satelita.

Drugi zadatak je mnogo ozbiljniji, jer osim organizacije stvarnog vađenja helija-3 iz regolita, inženjeri će morati stvoriti pouzdane lunarne baze sa sustavima za održavanje života za rudare budućnosti. To će umnogome pomoći tehnologijama koje su razvijene dugogodišnjim radom orbitalnih postaja, prvenstveno ISS-a i Mira. I u Rusiji iu drugim zemljama danas se aktivno projektiraju lunarne baze, a možda naša zemlja danas ima maksimalnu tehnologiju za stvarnu provedbu takvih projekata.

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

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

Međutim, takvi reaktori nikada neće postati masovna proizvodnja, jer su izuzetno radioaktivni. Za početak reakcije koja uključuje helij-3 i deuterij potrebne su temperature od 300-700 milijuna stupnjeva. Zasad se takva plazma ne može dugo držati u magnetskim zamkama, no moguće je da će pomak u tom području biti rezultat pokretanja Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER), koji se trenutno gradi u Francuskoj i koji će biti pušten u rad do 2025.

Dakle, desetljeće između 2030.-2040. ima sve šanse da bude polazište u razvoju energije temeljene na heliju-3, budući da će do tog vremena, očito, biti prevladane gore navedene tehnološke prepreke. Sukladno tome, preostaje pronaći novac za realizaciju energetskog projekta koji čovječanstvo može prebaciti u eru iznimno jeftine (gotovo besplatne) energije sa svim posljedicama, kako za gospodarstvo tako i za kvalitetu života svakog čovjeka.

Kandidat fizičkih i matematičkih znanosti A. PETRUKOVYCH.

Lakom rukom američkog predsjednika krajem 2003. na dnevni red stavljeno je pitanje novih ciljeva čovječanstva u svemiru. Cilj izgradnje stanice s ljudskom posadom na Mjesecu, između ostalih prijedloga, djelomično se temelji na primamljivoj ideji korištenja jedinstvenih lunarnih rezervi helija-3 za stvaranje energije na Zemlji. Je li lunarni helij koristan ili ne, pokazat će budućnost, no priča o njemu prilično je fascinantna i omogućuje nam da usporedimo svoje znanje o strukturi atomske jezgre i Sunčevog sustava s praktičnim aspektima energetike i rudarstva.

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

Znanost i život // Ilustracije

ZAŠTO? ILI NUKLEARNA FUZIJA - ALKEMIJA U STVARNOSTI

Pretvaranje olova u zlato bio je san srednjovjekovnih alkemičara. Kao i uvijek, priroda se pokazala bogatijom od ljudskih fantazija. Reakcije nuklearne fuzije stvorile su cijeli niz kemijskih elemenata, postavljajući materijalne temelje našeg svijeta. No, fuzijom se može dobiti i nešto puno vrjednije od zlata – energija. Nuklearne reakcije u tom su smislu slične kemijskim reakcijama (tj. reakcijama molekularne transformacije): svaku sastavnu tvar, bilo da se radi o molekuli ili atomskoj jezgri, karakterizira energija vezanja koja se mora potrošiti da se spoj uništi, a koja je oslobađa kada se formira. Kada je energija vezanja produkata reakcije veća od energije početnih materijala, reakcija se odvija uz oslobađanje energije, a ako naučite kako je uzeti u ovom ili onom obliku, početni materijali se mogu koristiti kao gorivo. Od kemijskih procesa najučinkovitija je u tom smislu, kao što znate, reakcija interakcije s kisikom - izgaranje, koja danas služi kao glavni i nezamjenjivi izvor energije u elektranama, u prometu iu svakodnevnom životu (čak i više energija se oslobađa tijekom reakcije fluora, posebno molekularnog fluora, s vodikom; međutim, i sam fluor i fluorovodik su izrazito agresivne tvari).

Energija vezanja protona i neutrona u jezgri puno je veća od one koja veže atome u molekule, a može se doslovno izvagati pomoću velike Einsteinove formule E = mc 2: masa atomske jezgre znatno je manja od mase pojedinačnih protona i neutrona koji je čine. Dakle, tona nuklearnog goriva zamjenjuje mnogo milijuna tona nafte. No, fuzija se s razlogom naziva termonuklearnom fuzijom: da bi se prevladalo elektrostatsko odbijanje kada se dvije pozitivno nabijene atomske jezgre približavaju jedna drugoj, potrebno ih je pravilno ubrzati, odnosno zagrijati nuklearno gorivo na stotine milijuna stupnjeva. (podsjetimo se 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 iona.

U prirodi takvi uvjeti pogodni za fuziju postoje samo u unutrašnjosti zvijezda. Sunce svoju energiju duguje takozvanom ciklusu reakcija helija: sintezi jezgre helija-4 iz protona. U divovskim zvijezdama iu eksplozijama supernova rađaju se i teži elementi, tvoreći tako čitavu raznolikost elemenata u Svemiru. (Istina, vjeruje se da je dio helija mogao nastati izravno pri rađanju Svemira, tijekom Velikog praska.) U tom smislu Sunce nije najučinkovitiji generator, jer gori dugo i polako: proces usporava prva i najsporija reakcija fuzije deuterija iz dva protona. Sve sljedeće reakcije puno su brže i odmah proždiru raspoloživi deuterij, prerađujući ga u jezgre helija u nekoliko faza. Kao rezultat toga, čak i ako pretpostavimo da u fuziji sudjeluje samo jedna stotina solarne materije u njegovoj jezgri, oslobađanje energije je samo 0,02 vata po kilogramu. Međutim, upravo tu sporost, objašnjenu prvenstveno malom, prema zvjezdanim standardima, masom svjetiljke (Sunce pripada kategoriji subpatuljaka) i osiguravanjem konstantnosti protoka sunčeve energije mnogo milijardi godina, dugujemo samog postojanja života na Zemlji. Kod divovskih zvijezda transformacija materije u energiju mnogo je brža, ali kao rezultat toga, one same sebe potpuno izgaraju u desecima milijuna godina, a da čak nemaju vremena ni pravilno steći planetarne sustave.

Odlučivši termonuklearnu fuziju provesti u laboratoriju, čovjek će na taj način nadmudriti prirodu, stvarajući učinkovitiji i kompaktniji generator energije od Sunca. No, možemo odabrati puno lakše provedivu reakciju – sintezu helija iz smjese deuterija i tricija. Planirano je da će projektirani međunarodni termonuklearni reaktor - ITER tokamak moći doseći prag paljenja, od kojeg je, međutim, još uvijek vrlo, vrlo daleko od komercijalne uporabe termonuklearne energije (vidi "Znanost i život" br. ,, 2001). Glavni je problem, kao što znate, održati plazmu zagrijanom na željenu temperaturu. Budući da nijedan zid na takvoj temperaturi ne može izbjeći uništenje, oblak plazme pokušavaju zadržati magnetskim poljem. U hidrogenskoj bombi problem je riješen eksplozijom malog atomskog naboja, koji komprimira i zagrijava smjesu do potrebnog stanja, ali ova metoda nije baš prikladna za mirnodopsku proizvodnju energije. (O izgledima tzv. eksplozivne energije vidi "Znanost i život" br. 7, 2002.)

Glavni nedostatak reakcije deuterij-tricij je visoka radioaktivnost tricija čije je vrijeme poluraspada samo 12,5 godina. Ovo je radijacijski najprljavija dostupna reakcija, toliko da će u industrijskom reaktoru unutarnje stijenke komore za izgaranje trebati mijenjati svakih nekoliko godina zbog radijacijskog uništavanja materijala. Istina, najštetniji radioaktivni otpad, koji zbog dugog vremena raspada zahtijeva neograničeno zakopavanje duboko pod zemljom, tijekom sinteze uopće ne nastaje. Drugi problem je što oslobođenu energiju odnose uglavnom neutroni. Te električki nenabijene čestice ne primjećuju elektromagnetsko polje i slabo komuniciraju s materijom općenito, pa im nije lako uzeti energiju.

Reakcije fuzije bez tricija, poput onih koje uključuju deuterij i helij-3, praktički su sigurne od zračenja jer koriste samo stabilne jezgre i ne proizvode nepovoljne neutrone. No, da bi se "zapalila" takva reakcija, potrebno je, kako bi se kompenzirala niža brzina fuzije, deset puta više zagrijati plazmu - do milijardu stupnjeva (istovremeno rješavajući problem njezina zadržavanja)! Stoga se danas takve opcije smatraju osnovom za buduće termonuklearne reaktore druge generacije, nakon deuterij-tricijevog. Međutim, ideja o ovoj alternativnoj termonuklearnoj energiji dobila je neočekivane saveznike. Zagovornici kolonizacije svemira smatraju helij-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 gdje nabaviti helij: to je drugi najzastupljeniji element u svemiru, a relativni sadržaj lakog izotopa u njemu je nešto manji od jedne tisućinke. Međutim, za Zemlju je helij egzotičan. To je vrlo hlapljiv plin. Zemlja je ne može zadržati svojom gravitacijom, a gotovo sav primarni helij koji je na nju pao iz protoplanetarnog oblaka tijekom formiranja Sunčevog sustava vratio se iz atmosfere natrag u svemir. Čak je i helij prvi put otkriven na Suncu, zbog čega je i dobio ime po starogrčkom bogu Heliosu. Kasnije je pronađen u mineralima koji sadrže radioaktivne elemente, a konačno je uhvaćen u atmosferi među ostalim plemenitim plinovima. Zemaljski helij uglavnom nije kozmičkog, već sekundarnog, radijacijskog podrijetla: tijekom raspada radioaktivnih kemijskih elemenata izlijeću alfa čestice - jezgre helija-4. Helij-3 ne nastaje na ovaj način, te je stoga njegova količina na Zemlji zanemariva i doslovno se računa u kilogramima.

Možete se opskrbiti helijem kozmičkog podrijetla (s relativno visokim udjelom helija-3) u atmosferama Urana ili Neptuna - planeta dovoljno velikih da drže ovaj lagani plin, ili na Suncu. Pokazalo se da je lakše doći blizu solarnog helija: cijeli međuplanetarni prostor ispunjen je solarnim vjetrom, u kojem 70 tisuća protona čini 3000 alfa čestica - jezgre helija-4 i jednu jezgru helija-3. Taj je vjetar izuzetno razrijeđen, po zemaljskim mjerilima pravi je vakuum i nemoguće ga je uhvatiti “mrežom” (v. Nauka i život, br. 7, 2001.) atmosfera, primjerice, na Mjesecu, a , dakle, moguće je isprazniti neku prirodnu zamku koja se redovito nadopunjavala protekle četiri milijarde godina. Kao rezultat bombardiranja plazmom, nekoliko stotina milijuna tona helija-3 palo je na Mjesec tijekom tog vremena. Ako bi sva solarna vjetar ostao na površini Mjeseca, tada bi uz 5 grama helija-3 na svakom kvadratnom metru površine bilo u prosjeku još 100 kilograma vodika i 16 helija-4. Od te količine, mogla bi se stvoriti sasvim pristojna atmosfera, samo malo rjeđa od marsovske, ili ocean tekućeg plina dubine dva metra!

No, na Mjesecu ne postoji ništa slično, a samo vrlo mali dio iona Sunčevog vjetra ostaje zauvijek u gornjem sloju Mjesečevog tla - regolitu. Istraživanja Mjesečevog tla koje su na Zemlju donijele sovjetske stanice Luna i američki Apollos pokazala su da helij-3 u njemu čini približno 1/100-milijunti dio, ili 0,01 gram po 1 toni. A ukupno na Mjesecu ima oko milijun tona ovog izotopa, mnogo prema zemaljskim standardima. Na sadašnjoj razini svjetske potrošnje energije, mjesečevo gorivo bilo bi dovoljno za 10 tisuća godina, što je oko deset puta više od energetskog potencijala svih obnovljivih kemijskih goriva (plin, nafta, ugljen) na Zemlji.

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

Nažalost, na Mjesecu nema "jezera" helija, on je više-manje ravnomjerno raspršen po cijelom pripovršinskom sloju. Ipak, s tehničkog 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 potrebe Zemlje za energijom, potrebno je s Mjeseca donijeti samo oko 100 tona helija-3. Upravo taj broj, koji odgovara tri ili četiri leta space shuttlea - shuttlea, fascinira svojom dostupnošću. Međutim, prvo morate iskopati oko milijardu tona Mjesečevog tla - što nije tako velika količina za standarde rudarske industrije: primjerice, u svijetu se iskopa dvije milijarde tona ugljena godišnje (u Rusiji - oko 300 milijuna tona). Naravno, sadržaj helija-3 u stijeni nije previsok: na primjer, razvoj ležišta smatra se isplativim ako sadrži barem nekoliko grama zlata i najmanje dva karata (0,4 g) dijamanata po toni. U tom se smislu helij-3 može usporediti jedino s radijem, kojeg se od početka 20. stoljeća dobiva tek nekoliko kilograma: nakon prerade tone čistog urana dobije se samo 0,4 grama radija, a da ne govorimo o problemi samog vađenja urana. Početkom prošlog stoljeća, u razdoblju romantičnog odnosa prema radioaktivnosti, radij je bio prilično popularan i poznat ne samo fizičarima, već i liričarima: prisjetimo se fraze V.V. Ali helij-3 je skuplji od gotovo bilo koje tvari koju čovjek koristi - jedna tona koštala bi najmanje milijardu dolara, ako pretvorite energetski potencijal helija u ekvivalent nafte po povoljnoj cijeni od 7 dolara po barelu.

Plin se lako oslobađa iz regolita zagrijanog na nekoliko stotina stupnjeva, recimo, uz pomoć zrcala koje koncentrira sunčeve zrake. Ne zaboravimo da tek trebamo odvojiti helij-3 od puno većeg broja drugih plinova, uglavnom od helija-4. To se postiže hlađenjem plinova do tekućeg stanja i iskorištavanjem beznačajne razlike u vrelištima izotopa (4,22 K za helij-4 ili 3,19 K za helij-3). Još jedna elegantna metoda odvajanja temelji se na korištenju svojstva superfluidnosti tekućeg helija-4, koji može samostalno teći kroz okomitu stijenku u susjedni spremnik, ostavljajući za sobom samo nesuperfluidni helij-3 (vidi "Znanost i život" br. 2, 2004).

Nažalost, sve će to morati biti učinjeno u bezzračnom prostoru, ne u "stakleničkim" uvjetima Zemlje, već na Mjesecu. Tamo će se morati preseliti nekoliko rudarskih gradova, što u biti znači kolonizaciju Mjeseca. Sada stotine stručnjaka nadziru sigurnost nekoliko astronauta u orbiti blizu Zemlje, a posada se u svakom trenutku može vratiti na Zemlju. Ako se deseci tisuća ljudi nađu u svemiru, morat će živjeti u vakuumu sami, bez detaljnog nadzora sa Zemlje, te si osigurati vodu, zrak, gorivo i osnovni građevinski materijal. Međutim, vodika, kisika i metala na Mjesecu ima dovoljno. Mnogi od njih mogu se dobiti kao nusprodukt rudarenja helija. Tada, možda, helij-3 može postati profitabilna roba za trgovinu sa Zemljom. Ali budući da će ljudima u tako teškim uvjetima trebati mnogo više energije nego zemljanima, mjesečeve rezerve helija-3 možda se neće činiti tako neograničene i privlačne našim potomcima.

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

Književnost

Bronstein M. P. Sunčeva tvar. - Književni klub Terra, 2002. (monografija).

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

Natpisi za ilustracije

bolestan 1. Helijev ciklus reakcija nuklearne fuzije počinje spajanjem dvaju protona u jezgru deuterija. U sljedećim fazama nastaju 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 vjerojatnošću prevladavanja elektrostatske barijere pri približavanju dva pozitivno nabijena iona i vjerojatnošću stvarnog spajanja jezgri (tzv. presjek interakcije). Konkretno, što je veća kinetička energija jezgre i niži njen električni naboj, veća je vjerojatnost da će proći elektrostatsku barijeru i veća je brzina reakcije (vidi grafikon). Ključni parametar teorije termonuklearne energije - kriterij reakcijskog paljenja - određuje pri kojoj će gustoći i temperaturi plazme goriva energija oslobođena tijekom fuzije (proporcionalna brzini reakcije pomnoženoj s gustoćom plazme i vremenom gorenja) premašiti troškove zagrijavanje plazme, uzimajući u obzir gubitke i učinkovitost . Reakcija deuterija i tricija ima najveću brzinu, a da bi se postiglo paljenje, plazma koncentracije od oko 10 14 cm -3 mora se zagrijati na stotinu i pol milijuna stupnjeva i držati 1-2 sekunde. Da bi se postigla pozitivna energetska ravnoteža u reakcijama na drugim komponentama - heliju-3 ili boru, niža brzina mora se kompenzirati deseterostrukim povećanjem temperature i gustoće plazme. Ali uspješnim sudarom dviju jezgri oslobađa se energija, tisuću puta veća od energije utrošene na njihovo zagrijavanje. Početne reakcije ciklusa helija, koje stvaraju deuterij i tricij u solarnoj jezgri, odvijaju se tako sporo da odgovarajuće krivulje ne ulaze u polje ovog grafikona.

bolestan 2. Sunčev vjetar je struja razrijeđene plazme koja neprestano teče sa sunčeve površine u međuplanetarni prostor. Vjetar odnosi 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 mjehurića radijusa od stotinjak astronomskih jedinica koji se kreće zajedno sa Suncem kroz međuzvjezdani plin. Kako se astronomi nadaju, njezinoj granici sada se približavaju američki sateliti Voyager 1 i Voyager 2, koji će uskoro postati prva letjelica koja će napustiti Sunčev sustav. Solarni vjetar prvi je otkrila sovjetska međuplanetarna stanica "Luna-2" 1959. godine, međutim, neizravni dokazi o prisutnosti korpuskularnog toka koji dolazi sa Sunca bili su poznati i ranije. Upravo solarnom vjetru stanovnici Zemlje duguju magnetske oluje (vidi "Znanost i život" br. 7, 2001.). U Zemljinoj orbiti vjetar u prosjeku sadrži samo šest iona po kubnom centimetru, krećući se nevjerojatnom brzinom od 450 km/s, što, međutim, nije tako brzo u mjerilu Sunčevog sustava: potrebno je tri dana putovanja do Zemlje. Sunčev vjetar sastoji se od 96% protona i 4% jezgri helija. Primjesa ostalih elemenata je neznatna.

bolestan 3. Mjesečev regolit je prilično rahli sloj na površini Mjeseca debeo nekoliko metara. Uglavnom se sastoji od malih fragmenata prosječne veličine manje od milimetra, nakupljenih milijardama godina kao rezultat razaranja mjesečevih stijena tijekom temperaturnih promjena i udara meteorita. Studije lunarnog tla pokazale su da što je više titanovih oksida u regolitu, to je više atoma helija.

bolestan 4. Prisutnost titana u pripovršinskom sloju prilično se lako detektira daljinskom spektroskopskom analizom (crvena boja na desnoj slici figure dobivene satelitom Clementine), te se tako dobije karta "naslaga" helija koja , općenito, podudaraju se s položajem Mjesečevih mora.

bolestan 5. Za ekstrakciju jedne tone helija-3 potrebno je obraditi površinski sloj regolita na površini od najmanje 100 četvornih 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, OBRAZLOŽENJA

Mjesečev helij-3 je termonuklearno gorivo budućnosti.

Komentar autora stranice: Aktiviranjem američkog lunarnog svemirskog programa, sve se češće čuje da, uz prisutnost vode, Mjesec ima ogromne zalihe izotopa helija-3 – goriva nuklearnog oružja. energija budućnosti. Je li to tako, kakve izglede to obećava čovječanstvu, trebamo li uopće istraživati ​​Mjesec i kako to učiniti - ovo je samo mali popis pitanja čije ćete odgovore saznati u ovom članku, koji je poglavlje "Helij-3" iz knjige akademika Ruske akademije znanosti Erica Mikhailovicha Galimova "Koncepti i pogrešne procjene: Fundamentalna svemirska istraživanja u Rusiji u posljednjih dvadeset godina. Dvadeset godina besplodnih napora."

Činjenica da je Mjesec obogaćen helijem-3 poznata je otkad je mjesečeva tvar prvi put donesena na Zemlju. U uzorcima Mjesečevog tla koje su donijeli američki astronauti tijekom ekspedicija Apollo i dopremili sovjetskim automatskim vozilima Luna, pokazalo se da je relativna koncentracija izotopa helija 3He (omjer 3He/4He) tisuću puta veća nego u zemaljskom heliju. To je rezultat ozračivanja Mjesečeve površine korpuskularnim zračenjem Sunca, koje nije zaštićeno atmosferom. Tijekom milijardi godina, atomi elemenata koje emitira Sunce, ponajviše vodik i helij u izotopskom omjeru svojstvenom Suncu, unose se u površinski prašnjavi sloj (regolit) Mjeseca. Još jedna činjenica - da je 3 He učinkovito termonuklearno gorivo - bila je poznata fizičarima još ranije. Međutim, tih godina iz tih činjenica nije izvučen nikakav praktični zaključak. Zemaljska energija osigurana je zahvaljujući brzom razvoju proizvodnje nafte i plina. Nuklearna energija temeljila se na dostupnim sirovinama urana. Kontrolirana termonuklearna fuzija nije provedena ni na jednostavnijoj reakciji deuterija s tricijem. Na Zemlji helij-3 nije dostupan u komercijalnim količinama.

Krajem 80-ih - ranih 90-ih. bilo je publikacija o mogućem korištenju mjeseca kao izvora energije za zemlju. Na primjer, predloženi su projekti za prijenos sunčeve energije prikupljene na površini Mjeseca na Zemlju u obliku fokusiranog visokofrekventnog snopa. Također je izražena ideja o ekstrakciji i isporuci lunarnog helija-3. Posebno je entuzijast za ovu ideju bio američki astronaut Harold Schmidt, koji je bio na Mjesecu. Napisao je ozbiljnu knjigu o mogućnosti korištenja helija-3.

Pozivajući na povratak istraživanju Mjeseca, pored specifičnog i hitnog zadatka proučavanja unutarnje strukture Mjeseca, stalno sam spominjao razvoj lunarnih izvora helija-3 kao zadatak koji treba imati na umu kao daleku perspektivu.

Mislim da danas ne možemo do kraja predvidjeti što će nam osvajanje Mjeseca dati i zato u to krećemo nesigurno, bojažljivo i sa zakašnjenjem. Više puta sam morao pisati o tome da je proučavanje Mjeseca od velike važnosti za fundamentalnu geologiju. Rekonstrukcija rane povijesti Zemlje, nastanka atmosfere, oceana i života na njoj, nemoguća je bez proučavanja Mjeseca. Makar samo zato što su tragovi prvih 500-600 milijuna godina povijesti Zemlje potpuno izbrisani u njezinom geološkom zapisu, a sačuvani su na Mjesecu. I zato što Mjesec i Zemlja predstavljaju genetski jedinstven sustav.

Helij-tri. Čudna i neshvatljiva fraza. Međutim, što dalje idemo, to ćemo ga više čuti. Jer, prema mišljenju stručnjaka, upravo će helij-tri spasiti naš svijet od nadolazeće energetske krize. I u ovom pothvatu najaktivnija uloga je dana Rusiji.

Mjesec

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

• Prvo, ova reakcija oslobađa puno veći (za red veličine!) broj neutrona visoke energije. Nijedan od poznatih materijala ne može izdržati tako intenzivan tok neutrona dulje od šest godina - unatoč činjenici da ima smisla napraviti reaktor s resursom od najmanje 30 godina. Posljedično, trebat će zamijeniti prvu stijenku reaktora za fuziju tricija - a to je vrlo kompliciran i skup postupak, koji je povezan i s gašenjem reaktora na prilično dugo razdoblje.
• Drugo, potrebno je zaštititi magnetski sustav reaktora od snažnog neutronskog zračenja, što komplicira i, shodno tome, poskupljuje dizajn.
• Treće, mnogi elementi dizajna reaktora tricija nakon završetka rada bit će vrlo aktivni i zahtijevat će pokopavanje dugo vremena u skladišnim objektima posebno stvorenim za tu svrhu.

U slučaju korištenja deuterija s izotopom helija-3 umjesto tricija u termonuklearnom reaktoru većina problema se može riješiti. Intenzitet toka neutrona pada za faktor 30 - sukladno tome, moguće je lako osigurati radni vijek od 30-40 godina. Nakon završetka rada helijskog reaktora više se ne stvara visokoradioaktivni otpad, a radioaktivnost strukturnih elemenata bit će toliko niska da se mogu zakopati doslovno na gradskom odlagalištu, lagano posuti zemljom.

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

Prije svega zato što je ovaj izotop izuzetno mali na našem planetu. Rađa se na Suncu, zbog čega se ponekad naziva i "solarni izotop". Njegova ukupna masa tamo premašuje težinu našeg planeta. Helij-3 solarni vjetar nosi u okolni prostor. Zemljino magnetsko polje skreće značajan dio tog vjetra, pa stoga helij-3 čini samo jedan bilijunti dio Zemljine atmosfere – oko 4000 tona, a na samoj Zemlji još manje – oko 500 kg.

Na Mjesecu ima mnogo više ovog izotopa. Tamo se nalazi u "regolitu" mjesečevog tla, koji po sastavu nalikuje običnoj troski. Riječ je o ogromnim – gotovo neiscrpnim rezervama!

Analiza šest uzoraka tla koje su donijele ekspedicije Apollo i dva uzorka koje su dopremile sovjetske automatske stanice " Mjesec”, pokazalo je da regolit koji prekriva sva Mjesečeva mora i visoravni sadrži do 106 tona helija-3, što bi zadovoljilo potrebe Zemljine energije, čak nekoliko puta povećane u odnosu na moderne, za tisućljeće! Prema suvremenim procjenama, rezerve helija-3 na Mjesecu su tri reda veličine veće - 109 tona.

Osim na Mjesecu, helij-3 nalazi se iu gustim atmosferama divovskih planeta, a prema teorijskim procjenama njegove zalihe samo na Jupiteru iznose 1020 tona, što bi bilo dovoljno za napajanje Zemlje do kraja svijeta. .

Projekti proizvodnje helija-3

Regolit prekriva Mjesec slojem debljine nekoliko metara. Regolit Mjesečevih mora bogatiji je helijem od regolita platoa. 1 kg helija-3 nalazi se u približno 100 000 tona regolita.

Stoga je za izdvajanje dragocjenog izotopa potrebno obraditi golemu količinu mrvičastog Mjesečevog tla.

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

1. Vađenje regolita.

Posebni "kombajni" sakupljat će regolit iz površinskog sloja debljine oko 2 m i dostavljati ga na mjesta obrade ili prerađivati ​​izravno u procesu rudarenja.

2. Oslobađanje helija iz regolita.

Kad se regolit zagrije na 600°C, oslobađa se (desorbira) 75% helija sadržanog u regolitu; kada se zagrije na 800°C, oslobađa se gotovo sav helij. Zagrijavanje prašine predlaže se u posebnim pećima, fokusirajući sunčevu svjetlost pomoću plastičnih leća ili zrcala.

3. Dostava na Zemlju svemirskom letjelicom za višekratnu upotrebu.

Tijekom ekstrakcije helija-3 iz regolita se izdvajaju i brojne tvari: vodik, voda, dušik, ugljikov dioksid, dušik, metan, ugljikov monoksid, koje mogu biti korisne za održavanje lunarnog industrijskog kompleksa.

Projekt prvog lunarnog kombajna, dizajniranog za obradu regolita i izdvajanje izotopa helija-3 iz njega, predložila je grupa J. Kulchinskog. Trenutno privatne američke tvrtke razvijaju nekoliko prototipova koji će, prema svemu sudeći, biti predani na natječaj nakon što NASA odluči o značajkama buduće ekspedicije na Mjesec.

Jasno je da će, osim isporuke kombajna na Mjesec, morati izgraditi skladišta, nastanjivu 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 dobro isplatiti s obzirom na to da dolazi globalna energetska kriza, kada će tradicionalni tipovi nositelja energije (ugljen, nafta, prirodni plin) moraju biti napušteni.

Glavni tehnološki problem

Na putu stvaranja energije na temelju helija-3 postoji jedan važan problem. Činjenica je da je reakciju deuterij-helij-3 mnogo teže provesti nego reakciju deuterij-tricij.

Prije svega, izuzetno je teško zapaliti smjesu ovih izotopa. Izračunata temperatura na kojoj će se odvijati termonuklearna reakcija u smjesi deuterija i tricija je 100-200 milijuna stupnjeva. Kada se koristi helij-3, potrebna temperatura je dva reda veličine viša. Zapravo, moramo zapaliti malo sunce na Zemlji.

Međutim, povijest razvoja nuklearne energije (posljednjih pola stoljeća) pokazuje porast generiranih temperatura za red veličine tijekom 10 godina. Godine 1990. helij-3 već je spaljivan u europskom JET tokamaku, a rezultirajuća snaga iznosila je 140 kW. Otprilike u isto vrijeme američki tokamak TFTR dosegao je temperaturu potrebnu za početak reakcije u smjesi deuterija i helija.

Međutim, zapaliti smjesu pola je uspjeha. Loša strana termonuklearne energije je teškoća u ostvarivanju praktičnih povrata, jer je radno tijelo plazma zagrijana na mnogo milijuna stupnjeva, koja se mora držati u magnetskom polju.

Pokusi kroćenja plazme provode se desetljećima, no tek su krajem lipnja prošle godine u Moskvi predstavnici niza zemalja potpisali sporazum o izgradnji Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER) na jugu Francuske u grad Cadarache, prototip praktične termonuklearne elektrane. ITER će kao gorivo koristiti deuterij i tricij.

Fuzijski reaktor helij-3 bit će strukturno složeniji od ITER-a, a zasad ga nema ni u projektima. Iako se stručnjaci nadaju da će se prototip reaktora helij-3 pojaviti u sljedećih 20-30 godina, ova tehnologija ostaje čista fantazija.

Pitanje proizvodnje helija-3 analizirali su stručnjaci tijekom rasprava o budućem istraživanju i istraživanju Mjeseca, održanih u travnju 2004. u Pododboru za svemir i aeronautiku Odbora za znanost Zastupničkog doma američkog Kongresa. Njihov zaključak bio je nedvosmislen: čak iu dalekoj budućnosti ekstrakcija helija-3 na Mjesecu potpuno je neisplativa.

Kao što je rekao John Logsdon, direktor Instituta za svemirsku politiku u Washingtonu: “Američka svemirska zajednica ne smatra rudarenje helija-3 ozbiljnim izgovorom za povratak na Mjesec. Letjeti tamo po ovaj izotop je kao poslati Kolumba u Indiju po uran prije pet stotina godina. Može ga donijeti, i donio bi ga, samo nekoliko stotina godina nitko ne bi znao što bi s njim.

Eksploatacija helija-3 kao nacionalni projekt

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

Ovu izjavu čelnika raketno-svemirske korporacije Energija Nikolaja Sevastjanova ruski znanstveni promatrači doživjeli su kao prijavu za formiranje novog "nacionalnog projekta".

Dapače, jedna od glavnih funkcija države, osobito 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, okretanje rijeka.

Danas u Ruskoj Federaciji država pokušava, ali ne može formulirati zadatke na rubu nemogućeg. Državi treba netko tko će joj pokazati jedan svenarodni projekt i opravdati dobrobiti koje teoretski proizlaze iz tog projekta. Program razvoja i proizvodnje helija-3 s Mjeseca na Zemlju u svrhu opskrbe termonuklearnom energijom gorivom idealno ispunjava te zahtjeve.

“Samo mislim da postoji nedostatak u nekom velikom tehnološkom problemu”, naglasio je u intervjuu Alexander Zakharov, doktor fizikalnih i matematičkih znanosti, znanstveni tajnik Instituta za istraživanje svemira Ruske akademije znanosti. - Možda su zbog toga nedavno i potekle sve te priče o proizvodnji helija-3 na Mjesecu za termonuklearnu energiju. Ako a Mjesec- izvor minerala, a odatle nositi ovaj helij-3, a na Zemlji nema dovoljno energije ... Sve je to razumljivo, zvuči vrlo lijepo. A za to je, možda, lako uvjeriti utjecajne ljude da dodijele novac. Mislim da da".