Хелиева енергия. Луната и стотинката или историята на хелиевата енергия

Необходимо е да се разбере, че днес изучаването на слънчевата система, изследването на извънземната материя, химическата структура на Луната и планетите, търсенето на извънземни форми на живот, разбирането на физиката на Вселената е в челните редици на фундаменталната наука . Съвременните космически изследвания трябва да се разглеждат не като едно от направленията или клоновете на науката, а като етап от развитието на науката. Без резултатите, получени в космическите изследвания, нито физиката, нито биологията, нито химията, нито геоложките науки са непълни.

Оттеглянето на заден план на страна с богат опит и традиции в изследването на космоса не може да не предизвика безпокойство и желание да се разберат причините.

Е. М. Галимов

Хелий 3 – митичното гориво на бъдещето

Вероятно малко неща в областта на термоядрената енергия са заобиколени от митове като Хелий 3. През 80-те и 90-те години той беше активно популяризиран като гориво, което ще реши всички проблеми на контролирания термоядрен синтез, а също и като една от причините да се получи извън Земята (тъй като на земята има буквално стотици килограми от него и милиард тона на Луната) и най-накрая да започнем да изследваме Слънчевата система. Всичко това се основава на много странни идеи за възможностите, проблемите и нуждите на несъществуващата днес термоядрена енергия, за която ще говорим

Спомняте ли си, писах, че магнитите с тороидално поле ITER, които създават обратно налягане на плазмата, са абсолютно рекордни продукти, единствени в света по параметри? И така, феновете на He3 предлагат да направят магнитите 500 пъти по-мощни.

Добивът на хелий-3 на Луната ще осигури на земляните енергия за 5 хиляди години

Наличните запаси от хелий-3 на Луната могат да осигурят на земляните енергия за пет хиляди години напред, каза в сряда на мултимедийна лекция в РИА Новости докторът на физико-математическите науки, ръководител на отдела за лунни и планетарни изследвания в Държавния астрономически институт на Московския държавен университет. Ломоносов Владислав Шевченко.

Възможностите за осигуряване на жителите на Земята с енергийни ресурси не са неограничени, техните запаси на нашата планета ще бъдат изчерпани през следващите векове. В същото време САЩ вече са изчислили, че запасите от хелий-3, налични на Луната, могат да осигурят на земляните енергия за поне пет хиляди години напред, каза Шевченко.

Да, цената на един тон хелий-3 ще бъде приблизително милиард долара, при условие че бъде създадена необходимата инфраструктура за добив и доставка от Луната. Но в същото време 25 тона - а това са само 25 милиарда долара, което не е толкова много в мащаба на държавите на нашата планета - е достатъчно, за да осигури енергия на земляните за една година. В момента само Съединените щати харчат около 40 милиарда долара годишно за енергия. Ползата е очевидна“, отбеляза Шевченко.

Според него в близко бъдеще партньорите в Международната космическа станция (МКС) трябва постепенно да преминат от нейната експлоатация към създаването на Международна лунна станция (МЛС). Нашият път сега е от ISS до MLS. „Ще получим големи практически ползи“, заключи ученият.

В момента изотопът хелий-3 на Земята се добива в много малки количества, възлизащи на няколко десетки грама годишно.

На Луната запасите от този ценен изотоп са, според минимални оценки, около 500 хиляди тона. Ядреният синтез, когато 1 тон хелий-3 реагира с 0,67 тона деутерий, освобождава енергия, еквивалентна на изгарянето на приблизително 15 милиона тона нефт.

В интервю за вестник „Труд“ академик Роалд Зинурович Сагдеев нарече сензацията, повдигната около производството на хелий-3 на Луната. не струва пукната пара.

Академик Сагдеев каза, че на наскоро проведените 30-и Корольовски четения тонът е зададен от привържениците на лунните проекти, които твърдят, че добивът на хелий-3 на Луната е печеливша и перспективна задача. Смята се, че термоядрените реактори. задвижван от хелий-3 ще осигури на човечеството енергия за хилядолетия.

Плановете за създаване на база на Луната до 2015 г. и за извличане и транспортиране на хелий-3, които бяха представени на четенията, са напълно нереалистични. А хелий-3 ще е необходим не по-рано от 80-100 години.

Академик Сагдеев каза, че все още няма реактори, работещи с деутерий и тритий. Въпреки това запасите от деутерий в морската вода са практически неограничени. Ще са необходими още около 100 години, за да се създаде термоядрен реактор, захранван с хелий-3. „С една дума, изграждането на хелиев реактор дори не е задача на 21-ви, а на 22-ри век“, казва Сагдеев.

Следователно плановете за създаване на база на Луната и извличане на хелий-3 там са илюзия: „Всъщност целият този шум, свързан с предложението за добив на хелий-3 на Луната, не струва пукната пара“.

Думите на Сагдеев от интервю: „Когато например ръководителят на RSC Energia Николай Севастянов говори за извличането на хелий-3 на Луната, аз се усмихвам вътрешно и дори някъде симпатизирам на такъв ентусиазиран човек, който изненадващо открива себе си в плен на илюзии.” .

Хелий-3 е открит от австралийския учен Марк Олифант, докато работи в университета в Кеймбридж.

Приложение 3 Той

Хелий-3 се използва в изследванията на ядрения синтез. Това е страничен продукт от реакции, протичащи в Слънцето. На Земята се добива в много малки количества, възлизащи на няколко десетки грама годишно. Причината за това е нашата атмосфера. улесняване на реакцията на хелий-3 с други вещества. Термоядрен синтез на 1 тон хелий-3 освобождава енергия, равна на 15 милиона тона нефт.

3 Той резервира на Земята

На Земята запасите му се оценяват приблизително на 500-1000 килограма и са изключително разпръснати в атмосферата и скалите.

3 Той резервира на Луната

Лунните ресурси на Хелий-3 са много големи и трябва да са достатъчни поне за следващото хилядолетие. Основният проблем остава, че контролираният термоядрен синтез все още не е реализиран и според най-оптимистичните прогнози възможността за комерсиално използване ще се появи едва през 2050 г.

Източници: znaniya-sila.narod.ru, hodar.ru, ria.ru, ru.wikinews.org, traditio-ru.org

Чудото Ланчанг

Ангош

Завръщане от Марс

Аномални зони на Русия

Митът за изграждането на град Тива

Политиката на Сенусрет I е следвана и от неговите наследници Аменемхет II и Сенусрет II. И накрая, бившата власт на Египет над Нубия, Сирия и...

Как да актуализирате интериора на апартамент

Промяната на декора в апартамент винаги е от полза. Най-малкото, за да подобрите настроението си. Но какво, ако няма време за ремонт...

Призракът на площад Бъркли

Една от най-мистериозните къщи в Англия, обвита с воал от мистерия и мистика, се намира в самото й сърце – Лондон. Тук на Бевърли Скуеър...

Новият марсоход на НАСА

След дълъг процес на разработка НАСА взе решение за дизайна на ново превозно средство, което ще отиде до Марс. В бъдеще се планира...

С какво е известна Испания?

Испания е известна с националния си танц фламенко, националното ястие паеля, пеещите фонтани на Барселона, Алказар в Кордоба, катедралата в Сантяго де Компостела, кървавата улица...

Хелий-три. Странна и неразбираема фраза. Независимо от това, колкото по-далеч отиваме, толкова повече ще го чуваме. Защото според експертите именно хелий-три ще спаси света ни от задаващата се енергийна криза. И в това предприятие най-активната роля е отредена на Русия.

Луна

Обещаващата термоядрена енергия, използваща реакцията на синтез на деутерий-тритий като основа, макар и по-безопасна от енергията на ядреното делене, която се използва в съвременните атомни електроцентрали, все още има редица значителни недостатъци.

Първо, тази реакция освобождава много по-голям (с порядък!) брой високоенергийни неутрони. Нито един от известните материали не може да издържи на толкова интензивен неутронен поток повече от шест години - въпреки факта, че има смисъл да се направи реактор с ресурс от поне 30 години. Следователно, първата стена на реактора за термоядрен синтез на тритий ще трябва да бъде сменена - и това е много сложна и скъпа процедура, която също включва спиране на реактора за доста дълъг период от време.
Второ, е необходимо да се екранира магнитната система на реактора от мощно неутронно лъчение, което усложнява и съответно оскъпява дизайна.
трето, много структурни елементи на тритиев реактор след края на експлоатацията ще бъдат силно активни и ще изискват дългосрочно погребване в хранилища, специално създадени за тази цел.

В случай на използване на деутерий с изотоп хелий-3 вместо тритий в термоядрен реактор, повечето проблеми могат да бъдат решени. Интензитетът на неутронния поток пада 30 пъти - съответно може лесно да се осигури експлоатационен живот от 30-40 години. След края на експлоатацията на хелиевия реактор няма да се генерират високоактивни отпадъци, а радиоактивността на конструктивните елементи ще бъде толкова ниска, че те могат буквално да бъдат заровени в градско сметище, леко поръсени с пръст.

Какъв е проблема? Защо все още не използваме такова полезно термоядрено гориво?

На първо място, защото този изотоп е изключително оскъден на нашата планета. Той се ражда в Слънцето, поради което понякога се нарича „слънчев изотоп“. Общата му маса там надвишава теглото на нашата планета. Хелий-3 се пренася в околното пространство от слънчевия вятър. Магнитното поле на Земята отклонява значителна част от този вятър и затова хелий-3 съставлява само една трилионна част от земната атмосфера – около 4000 т. На самата Земя е още по-малко – около 500 кг.

На Луната има много повече от този изотоп. Там той е вграден в лунния почвен „реголит“, чийто състав наподобява обикновена шлака. Говорим за огромни - почти неизчерпаеми запаси!

Анализ на шест проби от почвата, донесени от експедициите на Аполо, и две проби, доставени от съветски автоматични станции " Луна“, показа, че реголитът, покриващ всички морета и плата на Луната, съдържа до 106 тона хелий-3, което би задоволило нуждите от земна енергия, дори увеличени няколко пъти в сравнение със съвременните, за едно хилядолетие! Според съвременните оценки запасите от хелий-3 на Луната са три порядъка по-големи - 109 тона.

Освен на Луната, хелий-3 може да се открие в плътните атмосфери на планетите-гиганти, а според теоретичните оценки запасите му само на Юпитер възлизат на 1020 тона, което би било достатъчно, за да захранва Земята с енергия до края на времето.

Проекти за добив на хелий-3

Реголитът покрива Луната със слой с дебелина няколко метра. Реголитът на лунните морета е по-богат на хелий от реголита на плата. 1 кг хелий-3 се съдържа в приблизително 100 000 тона реголит.

Следователно, за да се извлече ценният изотоп, е необходимо да се преработи огромно количество ронлива лунна почва.

Като се вземат предвид всички характеристики, технологията за производство на хелий-3 трябва да включва следните процеси:

1. Добив на реголит.

Специални „комбайни“ ще събират реголит от повърхностен слой с дебелина около 2 m и ще го доставят до точки за обработка или ще го обработват директно по време на процеса на добив.

2. Освобождаване на хелий от реголита.

Когато реголитът се нагрее до 600 °C, 75% от съдържащия се в реголита хелий се освобождава (десорбира); когато се нагрее до 800 °C, почти целият хелий се освобождава. Предлага се прахът да се нагрява в специални пещи, фокусиращи слънчевата светлина с пластмасови лещи или огледала.

3. Доставка на Земята с космически кораби за многократна употреба.

Когато се добива хелий-3, от реголита се извличат и множество вещества: водород, вода, азот, въглероден диоксид, азот, метан, въглероден оксид, които могат да бъдат полезни за поддържането на лунния индустриален комплекс.

Проектът на първия лунен комбайн, предназначен за обработка на реголит и извличане на изотопа хелий-3 от него, беше предложен от групата на Й. Кулчински. В момента частни американски компании разработват няколко прототипа, които очевидно ще бъдат представени на конкурса, след като НАСА вземе решение за характеристиките на бъдеща експедиция до Луната.

Ясно е, че в допълнение към доставката на комбайни на Луната, там ще трябва да бъдат построени складови съоръжения, пилотирана база (за обслужване на целия комплекс от оборудване), космодрум и много други. Смята се обаче, че високите разходи за създаване на развита инфраструктура на Луната ще се изплатят щедро по отношение на предстоящата световна енергийна криза, когато традиционните видове енергийни ресурси (въглища, нефт, природен газ) ще трябва да бъдат изоставени. .

Основен технологичен проблем

Има един важен проблем по пътя към създаването на енергия на базата на хелий-3. Факт е, че реакцията деутерий-хелий-3 е много по-трудна за провеждане от реакцията деутерий-тритий.

Първо, необичайно трудно е да се запали смес от тези изотопи. Очакваната температура, при която ще настъпи термоядрена реакция в смес от деутерий и тритий, е 100-200 милиона градуса. При използване на хелий-3 необходимата температура е с два порядъка по-висока. Всъщност трябва да запалим едно малко слънце на Земята.

Но историята на развитието на ядрената енергетика (последния половин век) показва повишаване на генерираните температури с порядък в рамките на 10 години. През 1990 г. европейският токамак JET вече изгаря хелий-3, като получената мощност е 140 kW. Приблизително по същото време американският токамак TFTR достигна температурата, необходима за започване на реакцията в сместа деутерий-хелий.

Запалването на сместа обаче все още е половината от битката. Недостатъкът на термоядрената енергия е трудността за получаване на практическа възвръщаемост, тъй като работната течност е плазма, нагрята до много милиони градуси, която трябва да се държи в магнитно поле.

Експериментите за укротяване на плазмата се провеждат в продължение на много десетилетия, но едва в края на юни миналата година в Москва представители на редица страни подписаха споразумение за изграждането в южната част на Франция в град Кадараш на Международен термоядрен Експериментален реактор (ITER) - прототип на практична термоядрена електроцентрала. ITER ще използва деутерий и тритий като гориво.

Термоядрен реактор с хелий-3 ще бъде структурно по-сложен от ITER и засега дори не е в проектите. И въпреки че експертите се надяват, че в следващите 20-30 години ще се появи прототип на реактор с хелий-3, засега тази технология си остава чиста фантазия.

Въпросът за добива на хелий-3 беше анализиран от експерти по време на изслушване за бъдещето на изследването и разработката на Луната, проведено през април 2004 г. в подкомисията по космос и аеронавтика на научната комисия към Камарата на представителите на САЩ. Заключението им беше ясно: дори в далечното бъдеще добивът на хелий-3 на Луната е напълно нерентабилен.

Както Джон Логсдън, директор на Института за космическа политика във Вашингтон, отбеляза: „Космическата общност на САЩ не гледа на добива на хелий-3 като на сериозно извинение за завръщане на Луната. Да летиш дотам за този изотоп е същото като да изпратиш Колумб в Индия за уран преди петстотин години. Можеше да го донесе и щеше да го донесе, но още няколкостотин години никой нямаше да знае какво да прави с него.

Добивът на хелий-3 като национален проект

„Сега говорим за термоядрена енергия на бъдещето и нов екологичен вид гориво, което не може да се произвежда на Земята. Говорим за промишлено развитие на Луната за добив на хелий-3.

Това изявление на ръководителя на ракетно-космическата корпорация "Енергия" Николай Севастянов беше възприето от руските научни наблюдатели като заявка за формирането на нов "национален проект".

Наистина, една от основните функции на държавата, особено през 20-ти век, беше именно формулирането на задачи пред обществото на ръба на въображението. Това се отнася и за съветската държава: електрификация, индустриализация, създаването на атомната бомба, първия сателит, обръщането на реките.

Днес в Руската федерация държавата се опитва, но не може да формулира задачи, които са на ръба на невъзможното. Държавата има нужда някой да й покаже национален проект и да обоснове ползите, които теоретично произтичат от този проект. Програмата за разработване и извличане на хелий-3 от Луната до Земята с цел доставяне на термоядрена енергия с гориво идеално отговаря на тези изисквания.

„Просто смятам, че има недостатък в някакъв основен технологичен проблем“, подчерта в интервю Александър Захаров, доктор на физико-математическите науки, научен секретар на Института за космически изследвания на Руската академия на науките. „Може би това е причината наскоро да се заговори за добив на хелий-3 на Луната за термоядрена енергия. Ако Луна- източник на минерали, и оттам да донесе този хелий-3, но на Земята няма достатъчно енергия... Всичко това е разбираемо, звучи много красиво. И може да е лесно да убедите влиятелни хора да отделят пари за това. Така мисля".

Няма да отнеме много време, по стандартите на човешката цивилизация, преди изкопаемите природни ресурси да бъдат изчерпани. Сред възможните кандидати за заместване на нефта и газа са слънчевата енергия, вятърната енергия или водородът. През последните години все по-често можете да чуете за ново спасение за планетата, наречено хелий-3. Едва наскоро беше открито, че това вещество може да се използва като суровина за електроцентрали.

Обща информация за веществото: свойства

През 1934 г. австралийският физик Марк Олифант, докато работи в лабораторията Кавендиш в университета в Кеймбридж в Англия, стига до забележително откритие. По време на първата демонстрация на ядрен синтез чрез бомбардиране на дейтронова мишена, той изказва хипотеза за съществуването на нов изотоп на химичния елемент номер 2. Днес той е известен като хелий-3.

Има следното Имоти:

Съдържа два протона, един неутрон и два електрона;
Сред всички известни елементи това е единственият стабилен изотоп, който има повече протони, отколкото неутрони;
Кипи при 3,19 Келвина (-269,96 градуса по Целзий). По време на кипене веществото губи половината от плътността си;
Ъгловият импулс е ½, което го прави фермион;
Скритата топлина на изпарение е 0,026 KJ/mol;

Пет години след откриването на Марк Олифант неговите теоретични конструкции получават експериментално потвърждение. И след 9 години учените успяха да получат съединение V течна форма . Както се оказа, в това състояние на агрегиране хелий-3 има свръхфлуидни свойства.

С други думи, при температури, близки до абсолютната нула, той е в състояние да проникне през капиляри и тесни пукнатини, като практически не изпитва съпротивление от триене.

Добив на хелий-3 на Луната

В продължение на милиарди години слънчевият вятър отлага гигантски количества хелий-3 в повърхностния слой на реголита. Според оценки количеството му на земния спътник може да достигне 10 милиона тона.

Много космически сили имат програма за извличане на това вещество с цел последващ термоядрен синтез:

През януари 2006 г. руската компания Energia обяви плановете си да започне геоложка работа на Луната до 2020 г. Днес бъдещето на проекта е в неизвестност поради трудната икономическа ситуация в страната;
През 2008 г. Индийската организация за космически изследвания изпрати сонда на повърхността на земния спътник, една от целите на която беше посочено като изследване на минерали, съдържащи хелий;
Китай също има свои планове за находища на ценни суровини. Според плановете се предвижда да се изпращат три совалки годишно до спътника. Енергията, произведена от това гориво, ще покрие повече от нуждите на цялото човечество.

Засега си остава мечта, която може да се види само във фантастичните филми. Сред тях са „Луна“ (2009) и „Желязно небе“ (2012).

В това видео физикът Борис Романов ще ви разкаже под каква форма се намира веществото хелий-3 на Луната и дали е възможно да бъде внесено оттам:

Геохимични данни

Изотопът присъства и на планетата Земя, макар и в по-малки количества:

Това е основният компонент на земната мантия, който е синтезиран по време на формирането на планетата. Общата му маса в тази част на планетата е, според различни оценки, от 0,1 до 1 милион тона;
Излиза на повърхността в резултат на вулканична дейност. По този начин хълмовете на Хавайските острови отделят около 300 грама от това вещество годишно. Средноокеански хребети - около 3 килограма;
На места, където една литосферна плоча се сблъсква с друга, може да има стотици хиляди тонове изотоп хелий. Не е възможно това богатство да се извлича промишлено на сегашния етап на технологично развитие;
Природата продължава да произвежда това съединение и до днес, в резултат на разпадането на радиоактивни елементи в кората и мантията;
Може да се намери в сравнително малки количества (до 0,5%) в някои източници на природен газ. Както отбелязват експертите, всяка година по време на транспортирането на природен газ се отделят 26 m 3 хелий-3;
Има го и в земната атмосфера. Неговата специфична фракция е приблизително 7,2 части на трилион атоми от други атмосферни газове. Според последните изчисления, общата маса на атмосферния 3 2 той достига най-малко 37 хиляди тона.

Съвременни употреби на веществото

Почти всички изотопи, използвани в националната икономика, се произвеждат от радиоактивното разпадане на тритий, който се бомбардира с литиеви-6 неутрони в ядрен реактор.

За десетилетия хелий-3 беше само страничен продукт при производството на бойни глави за атомно оръжие. Въпреки това, след подписването на договора START I през 1991 г., суперсилите намалиха обема на производството на ракети, поради което производствените продукти също започнаха да намаляват.

Днес производството на изотопа процъфтява, тъй като са открити нови приложения за него:

Поради сравнително високото жиромагнитно съотношение, частици от това вещество се използват в медицинската томография на белите дробове. Пациентът вдишва газова смес, съдържаща хиперполяризирани атоми хелий-3. След това под въздействието на инфрачервеното лазерно лъчение компютърът рисува анатомични и функционални изображения на органите;
В научните лаборатории това съединение се използва за криогенни цели. Чрез изпаряването му от повърхността на хладилника е възможно да се постигнат стойности близки до 0,2 келвина;
През последните години идеята за използване на веществото като суровина за електроцентрали набира популярност. Първата подобна инсталация е изградена през 2010 г. в долината Тенеси (САЩ).

Хелий-3 като гориво

Втори, преработен подход към използването на контролирана термоядрена енергия включва използването на 3 2 he и деутерий като суровини. Резултатът от такава реакция ще бъде йон хелий-4 и високоенергийни протони.

Теоретично тази технология има следните предимства:

Висока ефективност, тъй като се използва електростатично поле за контролиране на синтеза на йони. Кинетичната енергия на протоните се преобразува директно в електричество чрез преобразуване в твърдо състояние. Няма нужда да се строят турбини, които се използват в атомните електроцентрали за преобразуване на енергията на протоните в топлина;
По-ниски, в сравнение с други видове електроцентрали, капиталови и експлоатационни разходи;
Нито въздухът, нито водата са замърсени;
Сравнително малки размери поради използването на съвременни компактни инсталации;
Няма радиоактивно гориво.

Критиците обаче отбелязват значителната „грубост“ на това решение. В най-добрия случай търговското използване на термоядрения синтез ще започне не по-рано от 2050 г.

Сред всички изотопи на химичен елемент с атомен номер 2 се откроява хелий-3. Какво представлява той може да се опише накратко със следните свойства: той е стабилен (т.е. не претърпява трансформации в резултат на радиация), има свръхфлуидни свойства в течна форма и има относително малка маса.

Видео за образуването на хелий-3 във Вселената

В това видео физикът Даниил Потапов ще ви разкаже как се е образувал хелий-3 във Вселената, каква роля е изиграл при формирането на Вселената:

Възможно е през следващите години да станем свидетели на Лунната надпревара-2, чийто победител (или победители) ще се сдобият с почти неизчерпаем източник на енергия. Това от своя страна ще позволи на човечеството да навлезе в качествено нова технологична структура, за чиито параметри можем само да гадаем.

Какво е хелий-3?

От училищния курс по физика помним, че атомната маса на хелия е четири и този елемент е инертен газ. Проблемно е да се използва във всякакви химични реакции, особено тези, които освобождават енергия. Съвсем различен въпрос е изотопът на хелий с атомна маса 3. Той е способен да влезе в термоядрена реакция с деутерий (изотоп на водород с атомна маса 2), което води до образуването на гигантска енергия поради синтеза на обикновен хелий -4 с освобождаване на протон (3 He + D → 4 Not + p + енергия). По същия начин, само от един грам хелий-3 можете да получите същата енергия като изгарянето на 15 тона петрол.

Един тон хелий-3 е достатъчен, за да освободи 10 GW енергия за една година. По този начин, за да се покрият всички текущи енергийни нужди на Русия, ще са необходими 20 тона хелий-3 годишно, а за цялото човечество ще са необходими приблизително 200 тона от този изотоп годишно. В същото време няма да има нужда да се изгаря нефт и газ, чиито запаси не са неограничени, според последните оценки на доказаните запаси от въглеводороди човечеството ще издържи само половин век. Няма да има нужда да се експлоатират доста опасни атомни електроцентрали, което стана особено важно след Чернобил и Фукушима.

Къде мога да взема хелий-3?

С развитието на съвременните технологии единственият наистина достъпен източник на този елемент е повърхността на Луната. Самият хелий-3 се образува във вътрешността на звездите (например нашето Слънце) в резултат на комбинацията от два водородни атома.

В този случай основният продукт на тази реакция е обикновеният хелий-4, а изотопът-3 се образува в малки количества. Част от него се носи от слънчевия вятър и се разпределя равномерно в планетарната система.

Хелий-3 практически не пада на Земята, тъй като неговите атоми се отклоняват от магнитното поле на нашата планета. Но на планетите, които нямат такова поле, елементът се отлага в горните слоеве на почвата и постепенно се натрупва. Най-близкото до Земята небесно тяло, което няма магнитно поле, е Луната, така че именно тук са концентрирани запасите от този ценен енергиен носител, достъпен за човечеството.

Това се потвърждава не само от теоретични изчисления, но и от резултатите от емпирични изследвания. Хелий-3 беше открит в сравнително високи концентрации във всички проби от лунна почва, доставени на Земята. Средно има 1 грам на 100 тона реголит. от този енергиен изотоп.

По този начин, за да се извлекат гореспоменатите 20 тона хелий-3 за пълно задоволяване на годишните енергийни нужди на Руската федерация, ще е необходимо да се „изровят“ 2000 милиона тона лунна почва.

Физически това съответства на площ на Луната с размери 20х20 км с дълбочина на кариерата 3 м. Задачата за организиране на такъв мащабен добив е доста сложна, но съвсем разрешима, сигурни са съвременните инженери. Очевидно по-труден и скъп проблем ще бъде доставката на Земята на десетки тонове гориво за термоядрени пещи.

Какво липсва на човечеството за революцията на хелиевата енергия?

За да развият пълноценна термоядрена енергия на Земята, базирана на хелий-3, хората ще трябва да решат три основни проблема.

1. Създаване на надеждни и мощни средства за доставка на стоки по маршрута Земя-Луна и обратно.
2. Изграждане на лунни бази и комплекси за добив на хелий-3, което е свързано с много технологични проблеми.
3. Изграждане на реални термоядрени електроцентрали на Земята, за което също трябва да бъдат преодолени някои технологични бариери.

Човечеството се доближи до решаването на първия проблем. И четирите страни, участващи в Moon Race 2, плюс Европейският съюз вече са разработили или разработват тежкотоварни ракети, способни да изхвърлят тонове товар в лунната орбита. Например до 2027 г. Русия планира да внедри хардуерно ракетата-носител Ангара-А5В, която ще може да достави най-малко 10 тона полезен товар на Луната. Обратният транспорт ще бъде по-лесен, тъй като гравитационната сила на Луната е 6 пъти по-малка от тази на Земята, но горивото ще бъде проблем тук. Той или ще трябва да бъде внесен от Земята, или произведен на повърхността на нашия спътник.

Втората задача е много по-сериозна, тъй като в допълнение към организирането на действителното извличане на хелий-3 от реголита, инженерите ще трябва да създадат надеждни лунни бази със системи за поддържане на живота за миньорите на бъдещето. Технологиите, разработени чрез многогодишна работа на орбитални станции, преди всичко МКС и Мир, ще помогнат много за това. Както в Русия, така и в други страни, днес активно се проектират лунни бази и може би нашата страна днес разполага с максималната технология за реално изпълнение на такива проекти.

Що се отнася до третия проблем, през последните три десетилетия на Земята се работи по създаването на термоядрени реактори. Основната технологична трудност тук е проблемът с ограничаването на високотемпературната плазма (необходима за „запалването” на термоядрения синтез) в т.нар. "магнитни капани".

Този проблем вече е решен за реактори, работещи на принципа на комбиниране на деутерий и тритий (D + T = 4 He + n + енергия). За поддържане на такава реакция е достатъчна температура от 100 милиона градуса.

Такива реактори обаче никога няма да станат широко разпространени, тъй като са изключително радиоактивни. За да започне реакция, включваща хелий-3 и деутерий, ще са необходими температури от 300-700 милиона градуса. Засега такава плазма не може да се съхранява дълго време в магнитни капани, но може би пробив в тази област ще бъде воден от пускането на Международния термоядрен експериментален реактор (ITER), който в момента се изгражда във Франция и ще бъде поставен в експлоатация до 2025 г.

Така десетилетието между 2030-2040г има всички шансове да бъде отправна точка в развитието на енергията, базирана на хелий-3, тъй като до този момент, очевидно, технологичните пречки, посочени по-горе, ще бъдат преодолени. Съответно, остава да се намерят пари за реализацията на енергиен проект, който е в състояние да премести човечеството в ерата на изключително евтина (почти безплатна) енергия с всички произтичащи от това последици, както за икономиката, така и за качеството на живот на всеки човек.

Кандидат на физико-математическите науки А. ПЕТРУКОВИЧ.

С леката ръка на американския президент в края на 2003 г. въпросът за новите цели на човечеството в космоса беше поставен на дневен ред. Целта за създаване на обитаема станция на Луната, наред с други предложения, отчасти се основава на примамливата идея за използване на уникалните лунни запаси от хелий-3 за генериране на енергия на Земята. Бъдещето ще покаже дали лунният хелий е полезен или не, но историята за него е доста завладяваща и ни позволява да сравним знанията си за структурата на атомното ядро и слънчевата система с практическите аспекти на енергетиката и минното дело.

Наука и живот // Илюстрации

ЗА КАКВО? ИЛИ ЯДРЕЕН синтез - АЛХИМИЯ В РЕАЛНОСТТА

Превръщането на оловото в злато е мечтата на средновековните алхимици. Както винаги, природата се оказа по-богата от човешкото въображение. Реакциите на ядрен синтез създадоха цялото разнообразие от химични елементи, полагайки материалните основи на нашия свят. Синтезът обаче може да осигури и нещо много по-ценно от златото – енергия. Ядрените реакции в този смисъл са подобни на химичните реакции (т.е. реакциите, които трансформират молекули): всяко съставно вещество, било то молекула или атомно ядро, се характеризира с енергията на свързване, която трябва да бъде изразходвана за унищожаване на съединението и която се освобождава, когато се формира. Когато енергията на свързване на реакционните продукти е по-висока от изходните материали, реакцията протича с освобождаване на енергия и ако се научите да я приемате под една или друга форма, изходните материали могат да се използват като гориво. От химичните процеси най-ефективна в този смисъл, както е известно, е реакцията на взаимодействие с кислорода - горенето, което днес служи като основен и незаменим източник на енергия в електроцентралите, в транспорта и в бита (още повече енергията се освобождава по време на реакцията на флуор, особено молекулярен, с водород; обаче, както самият флуор, така и флуороводородът са изключително агресивни вещества).

Енергията на свързване на протоните и неутроните в ядрото е много по-голяма от тази, която свързва атомите в молекули, и може буквално да бъде претеглена с помощта на великата формула на Айнщайн д = mc 2: масата на атомното ядро е значително по-малка от масите на отделните протони и неутрони, които го съставят. Следователно един тон ядрено гориво замества много милиони тонове нефт. Обаче не напразно синтезът се нарича термоядрен: за да се преодолее електростатичното отблъскване, когато две положително заредени атомни ядра се сближат, трябва правилно да ги ускорите, тоест да загреете ядреното гориво до стотици милиони градуси ( не забравяйте, че температурата е мярка за кинетичната енергия на частиците). Всъщност при такива температури вече нямаме работа с газове или течности, а с четвъртото състояние на материята – плазмата, в която няма неутрални атоми, а само електрони и йони.

В природата такива подходящи за синтез условия съществуват само във вътрешността на звездите. Слънцето дължи енергията си на така наречения хелиев цикъл от реакции: синтеза на ядрото хелий-4 от протони. В гигантските звезди и по време на експлозия на свръхнова се раждат и по-тежки елементи, като по този начин се формира цялото многообразие от елементи във Вселената. (Вярно се смята, че част от хелия може да се е образувал директно при раждането на Вселената, по време на Големия взрив.) Слънцето в този смисъл не е най-ефективният генератор, защото гори дълго и бавно : процесът се забавя от първата и най-бавна реакция на синтез на деутерий на двата протона. Всички следващи реакции протичат много по-бързо и веднага консумират наличния деутерий, превръщайки го в хелиеви ядра на няколко етапа. В резултат на това, дори ако приемем, че само една стотна от слънчевата материя, намираща се в ядрото му, участва в синтеза, освобождаването на енергия е само 0,02 вата на килограм. Но точно тази бавност, обясняваща се предимно с малката, по звездни стандарти, маса на звездата (Слънцето принадлежи към категорията на подджуджетата) и осигуряване на постоянството на потока от слънчева енергия в продължение на много милиарди години, което ние дължат на самото съществуване на живот на Земята. При гигантските звезди превръщането на материята в енергия е много по-бързо, но в резултат на това те се изгарят напълно за десетки милиони години, без дори да имат време да придобият правилно планетарни системи.

След като реши да извърши термоядрен синтез в лабораторията, човек възнамерява да надхитри природата, като създаде по-ефективен и компактен генератор на енергия от Слънцето. Можем обаче да изберем много по-лесно осъществима реакция - синтез на хелий от деутерий-тритиева смес. Предвижда се проектираният международен термоядрен реактор - токамак "ITER" да може да достигне прага на запалване, от който обаче все още е много, много далеч от комерсиалното използване на термоядрената енергия (виж "Наука и живот" № ., 2001). Основният проблем, както е известно, е поддържането на нагрята плазма до необходимата температура. Тъй като никоя стена при такава температура не може да избегне разрушаването, те се опитват да задържат плазмения облак с магнитно поле. При водородна бомба проблемът се решава чрез експлозия на малък атомен заряд, компресиране и нагряване на сместа до необходимото състояние, но този метод не е подходящ за мирно производство на енергия. (За перспективите на така наречената експлозивна енергия вижте "Наука и живот" № 7, 2002 г.)

Основният недостатък на реакцията деутерий-тритий е високата радиоактивност на трития, чийто полуживот е само 12,5 години. Това е най-замърсената от радиация налична реакция, до такава степен, че в промишлен реактор вътрешните стени на горивната камера ще трябва да се сменят на всеки няколко години поради радиационно разрушаване на материала. Вярно е, че най-вредните радиоактивни отпадъци, които изискват неограничено погребване дълбоко под земята поради дългото време на разпадане, изобщо не се образуват по време на термоядрения синтез. Друг проблем е, че освободената енергия се отнася основно от неутрони. Тези частици, които нямат електрически заряд, не забелязват електромагнитното поле и като цяло взаимодействат слабо с материята, така че не е лесно да им се отнеме енергия.

Реакциите на синтез без тритий, като тези, включващи деутерий и хелий-3, са практически радиационно безопасни, защото използват само стабилни ядра и не произвеждат неудобни неутрони. Но за да се „запали“ такава реакция, е необходимо, за да се компенсира по-ниската скорост на термоядрения синтез, да се нагрее плазмата десет пъти по-горещо - до един милиард градуса (като същевременно се реши проблемът с нейното задържане)! Ето защо днес такива варианти се разглеждат като основа за бъдещи термоядрени реактори от второ поколение, след деутериево-тритиевия. Въпреки това идеята за тази алтернативна термоядрена енергия придоби неочаквани съюзници. Привържениците на космическата колонизация смятат хелий-3 за една от основните икономически цели на лунната експанзия, която трябва да задоволи нуждите на човечеството от чиста термоядрена енергия.

КЪДЕТО? ИЛИ СЛЪНЧЕВ ГОСТ

На пръв поглед не би трябвало да има проблем с това къде да се получи хелий: той е вторият най-разпространен елемент във Вселената и относителното съдържание на лекия изотоп в него е малко по-малко от една хилядна. За Земята обаче хелият е екзотика. Това е силно летлив газ. Земята не може да го задържи с гравитацията си и почти целият първичен хелий, паднал върху нея от протопланетарния облак по време на формирането на Слънчевата система, се върна от атмосферата обратно в космоса. Дори хелият е открит за първи път в Слънцето, поради което е кръстен на древногръцкия бог Хелиос. По-късно е открит в минерали, съдържащи радиоактивни елементи, и накрая уловен в атмосферата сред други благородни газове. Земният хелий основно не е от космически произход, а от вторичен, радиационен произход: при разпадането на радиоактивни химични елементи се излъчват алфа-частици - ядра хелий-4. Хелий-3 не се образува по този начин и затова количеството му на Земята е нищожно и буквално възлиза на килограми.

Можете да се запасите с хелий от космически произход (с относително високо съдържание на хелий-3) в атмосферите на Уран или Нептун - достатъчно големи планети, за да задържат този лек газ, или на Слънцето. Оказа се, че е по-лесно да се стигне до слънчевия хелий: цялото междупланетно пространство е изпълнено със слънчев вятър, в който на всеки 70 хиляди протона има 3000 алфа-частици - ядра хелий-4 и едно ядро хелий-3. Този вятър е изключително разреден, по земните стандарти той е истински вакуум и е невъзможно да бъде уловен с мрежа (вж. "Наука и живот" № 7, 2001). Но слънчевата плазма се утаява върху повърхността на небесните тела, които нямат магнитосфера и атмосфера, например на Луната, и следователно е възможно да се изпразни някакъв естествен капан, който редовно се попълва през последните четири милиарда години.В резултат на плазмената бомбардировка няколкостотин милиона тона хелий През това време на Луната падна -3. Ако целият слънчев вятър остане на повърхността на Луната, тогава в допълнение към 5 грама хелий 3, на всеки квадратен метър от повърхността ще има средно още 100 килограма водород и 16 килограма хелий 4. От това количество би било възможно да се създаде доста прилична атмосфера, само малко по-разредена от марсианската, или океан от течен газ с дълбочина два метра!

На Луната обаче няма нищо подобно и само много малка част от йоните на слънчевия вятър остават завинаги в горния слой на лунната почва - реголит. Изследванията на лунната почва, донесена на Земята от съветските сонди Луна и американските сонди Аполо, показват, че тя съдържа приблизително 1/100-милионна част от хелий-3, или 0,01 грама на тон. И общо има около милион тона от този изотоп на Луната, което е много по земните стандарти. При сегашното ниво на глобално потребление на енергия, лунното гориво би издържало 10 хиляди години, което е приблизително десет пъти по-голямо от енергийния потенциал на всички извличаеми химически горива (газ, нефт, въглища) на Земята.

КАК? ИЛИ "НА ГРАМ ПРОИЗВОДСТВО, НА ГОДИНА ТРУД"

За съжаление, на Луната няма „езера“ от хелий, той е повече или по-малко равномерно разпръснат в повърхностния слой. Въпреки това, от техническа гледна точка процесът на добив е доста прост и е разработен подробно от ентусиасти на лунната колонизация (вижте например www.asi.org).

За да се задоволят текущите годишни енергийни нужди на Земята, е необходимо да се донесат само около 100 тона хелий-3 от Луната. Именно това количество, отговарящо на три-четири полета на космически совалки, очарова с наличността си. Първо обаче трябва да изкопаете около милиард тона лунна почва - не толкова голямо количество по стандартите на минната индустрия: например в света се добиват два милиарда тона въглища годишно (в Русия - около 300 милиона тона). Разбира се, съдържанието на хелий-3 в скалата не е твърде високо: например разработването на находища се счита за рентабилно, ако съдържа поне няколко грама злато, а диамантите - най-малко два карата (0,4 g) на тон. В този смисъл хелий-3 може да се сравни само с радия, от който са произведени само няколко килограма от началото на ХХ век: след преработката на един тон чист уран се получават само 0,4 грама радий, да не говорим проблемите на добива на самия уран. В началото на миналия век, в периода на романтично отношение към радиоактивността, радият беше доста популярен и известен не само на физиците, но и на лириците: нека си спомним фразата на В. В. Маяковски: „Поезията е същото като производство на радий Производство на грам, труд на година.“ . Но хелий-3 е по-скъп от почти всяко вещество, използвано от хората - един тон би струвал поне милиард долара, ако преобразуваме енергийния потенциал на хелия в петролен еквивалент на изгодната цена от 7 долара за барел.

Газът лесно се освобождава от реголит, нагрят до няколкостотин градуса, да речем, с помощта на огледало на слънчев концентратор. Нека не забравяме, че хелий-3 все още трябва да бъде отделен от много по-голям брой други газове, главно хелий-4. Това се прави чрез охлаждане на газовете до течно състояние и използване на малката разлика в точките на кипене на изотопите (4,22 K за хелий-4 или 3,19 K за хелий-3). Друг елегантен метод за разделяне се основава на използването на свойството свръхфлуидност на течния хелий-4, който може независимо да тече през вертикална стена в съседен контейнер, оставяйки след себе си само не-свръхфлуиден хелий-3 (вижте "Наука и живот" No. 2, 2004 г.).

Уви, всичко това ще трябва да се направи в безвъздушно пространство, не в „оранжерийните“ условия на Земята, а на Луната. Няколко минни града ще трябва да бъдат преместени там, което по същество означава колонизиране на Луната. Сега стотици специалисти наблюдават безопасността на няколко астронавти в ниска околоземна орбита и екипажът може да се върне на Земята по всяко време. Ако десетки хиляди хора се озоват в космоса, те ще трябва да живеят във вакуум сами, без подробно наблюдение от Земята, и да си осигуряват вода, въздух, гориво и основни строителни материали. Въпреки това на Луната има достатъчно водород, кислород и метали. Много от тях могат да бъдат получени като страничен продукт от добива на хелий. Тогава вероятно хелий-3 може да се превърне в печеливша стока за търговия със Земята. Но тъй като хората в такива трудни условия ще се нуждаят от много повече енергия от земляните, лунните запаси от хелий-3 може да не изглеждат толкова неограничени и привлекателни за нашите потомци.

Между другото, има алтернативно решение за този случай. Ако инженерите и физиците намерят начин да се справят с поддържането на хелиева плазма десет пъти по-гореща от това, което е необходимо за модерен токамак (задача, която сега изглежда абсолютно фантастична), тогава чрез увеличаване на температурата само два пъти повече, ние ще „запалим“ реакционен синтез, включващ протони и бор. Тогава всички проблеми с горивото ще бъдат решени и то на много по-ниска цена: в земната кора има повече бор, отколкото например сребро или злато, той се използва широко като добавка в металургията, електрониката и химията. Минните и преработвателни предприятия произвеждат стотици хиляди тонове различни борсъдържащи соли годишно и ако нямаме достатъчно запаси на сушата, тогава всеки тон морска вода съдържа няколко грама бор. И всеки, който има бутилка борна киселина в домашната си аптечка, може да счита, че има собствен енергиен резерв за бъдещето.

Литература

Bronstein M.P. Слънчева субстанция. - Книжен клуб Тера, 2002г.

Лунна почва от морето на изобилието. - М.: Наука, 1974.

Надписи за илюстрации

Аз ще. 1. Хелиевият цикъл на реакциите на ядрен синтез започва със сливането на два протона в ядро на деутерий. В следващите етапи се образуват по-сложни ядра. Нека запишем първите няколко най-прости реакции, които ще ни трябват по-късно.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p или
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
Скоростта на реакцията се определя от вероятността за преодоляване на електростатичната бариера при приближаване на два положително заредени йона и от вероятността за самия ядрен синтез (така нареченото напречно сечение на взаимодействие). По-специално, колкото по-висока е кинетичната енергия на ядрото и колкото по-нисък е електрическият му заряд, толкова по-голям е шансът за преминаване на електростатичната бариера и толкова по-висока е скоростта на реакцията (вижте графиката). Ключовият параметър на теорията на термоядрената енергия - критерият за реакционно запалване - определя при каква плътност и температура на плазменото гориво енергията, освободена по време на термоядрения синтез (пропорционална на скоростта на реакцията, умножена по плътността на плазмата и времето на горене), ще надвиши цената на нагряване на плазмата, като се вземат предвид загубите и ефективността. Реакцията на деутерий и тритий има най-висока скорост и за да се постигне запалване, плазма с концентрация около 10 14 cm -3 трябва да се нагрее до сто и половина милиона градуса и да се задържи за 1-2 секунди. За постигане на положителен енергиен баланс при реакции с участието на други компоненти - хелий-3 или бор, по-ниската скорост трябва да се компенсира чрез повишаване на температурата и плътността на плазмата десетки пъти. Но успешният сблъсък на две ядра освобождава енергия, която е хиляди пъти по-голяма от енергията, изразходвана за нагряването им. Първоначалните реакции на хелиевия цикъл, които образуват деутерий и тритий в слънчевото ядро, протичат толкова бавно, че съответните криви не са включени в полето на тази графика.

Аз ще. 2. Слънчевият вятър е поток от разредена плазма, който постоянно тече от слънчевата повърхност в междупланетното пространство. Вятърът отнася само около 3x10 -14 слънчеви маси годишно, но се оказва основният компонент на междупланетната среда, измествайки междузвездната плазма от околностите на Слънцето. Така се създава хелиосферата - вид балон с радиус около сто астрономически единици, движещ се заедно със Слънцето през междузвезден газ. Както се надяват астрономите, американските спътници Вояджър 1 и Вояджър 2 вече се приближават до нейната граница, което скоро ще стане първият космически кораб, напуснал Слънчевата система. Слънчевият вятър е открит за първи път от съветската междупланетна станция Луна-2 през 1959 г., но косвени доказателства за наличието на корпускуларен поток, идващ от Слънцето, са били известни по-рано. Именно на слънчевия вятър жителите на Земята са отговорни за магнитните бури (виж „Наука и живот” № 7, 2001 г.). Близо до земната орбита вятърът съдържа средно само шест йона на кубичен сантиметър, движейки се с умопомрачителната скорост от 450 km/s, което обаче в мащаба на Слънчевата система не е толкова бързо: отнема три дни да пътува до Земята. Слънчевият вятър се състои от 96% протони и 4% хелиеви ядра. Примесите на други елементи са незначителни.

Аз ще. 3. Лунният реголит е доста рохкав слой на повърхността на Луната с дебелина няколко метра. Състои се главно от малки отломки със среден размер по-малък от милиметър, натрупани в продължение на милиарди години в резултат на разрушаването на лунните скали от температурни промени и метеорити. Изследванията на лунната почва показват, че колкото повече титанови оксиди има в реголита, толкова повече хелиеви атоми.

Аз ще. 4. Наличието на титан в приповърхностния слой се открива доста лесно чрез дистанционен спектроскопичен анализ (червен цвят в дясното изображение на фигурата, получена от спътника Clementine), и по този начин се получава карта на хелиевите „депозити“, която , като цяло, съвпада с местоположението на лунните морета.

Аз ще. 5. За да се извлече един тон хелий-3, е необходимо да се обработи повърхностният слой реголит върху площ от най-малко 100 квадратни километра. По пътя ще бъде възможно да се получи значително количество други газове, които ще бъдат полезни за организирането на живота на Луната. Снимки взети от сайта