Ta izotop naj bi pridobivali na Luni za toplotne potrebe. jedrska energija. Vendar je to stvar daljne prihodnosti. Kljub temu je helij-3 danes izjemno povpraševanje, zlasti v medicini.

Vladimir Teslenko

Celotna količina helija-3 v Zemljini atmosferi je ocenjena na le 35.000 ton Njegovega izpusta iz plašča v ozračje (skozi vulkane in prelomnice v skorji) znaša nekaj kilogramov na leto. V luninem regolitu se je helij-3 postopoma kopičil v stotinah milijonov let obsevanja sončnega vetra. Kot rezultat, tona lunarne zemlje vsebuje 0,01 g helija-3 in 28 g helija-4; to izotopsko razmerje (~0,04 %) je znatno višje kot v zemeljski atmosferi.

Ambiciozni načrti za pridobivanje helija-3 na Luni, o katerih resno razmišljajo ne le vesoljski voditelji (Rusija in ZDA), ampak tudi novinke (Kitajska in Indija), so povezani z upanjem, ki ga energetski sektor polaga v to. izotop. Jedrska reakcija 3He+D→4He+p ima vrsto prednosti v primerjavi z reakcijo devterij-tritij T+D→4He+n, ki je najbolj dosegljiva v zemeljskih razmerah.

Te prednosti vključujejo desetkrat nižji nevtronski tok iz reakcijskega območja, kar močno zmanjša inducirano radioaktivnost in razgradnjo strukturnih materialov reaktorja. Poleg tega se eden od reakcijskih produktov - protoni - za razliko od nevtronov zlahka ujamejo in se lahko uporabijo za dodatno proizvodnjo električne energije. Hkrati sta tako helij-3 kot devterij neaktivna, njihovo shranjevanje ne zahteva posebnih previdnostnih ukrepov, v primeru nesreče reaktorja z znižanjem tlaka v jedru pa je radioaktivnost izpusta blizu nič. Reakcija helij-devterij ima tudi resno pomanjkljivost - bistveno višji temperaturni prag (za začetek reakcije je potrebna temperatura približno milijardo stopinj).

Čeprav je vse to stvar prihodnosti, je po heliju-3 še danes veliko povpraševanja. Resda ne za energijo, ampak za jedrska fizika, kriogena industrija in medicina.

Slikanje z magnetno resonanco

Odkar se je pojavila v medicini, je magnetna resonanca (MRI) postala ena glavnih diagnostičnih metod, ki nam omogoča nepoškodovan pogled »v notranjost« različnih organov.

Približno 70 % mase človeškega telesa predstavlja vodik, katerega jedro, proton, ima določen spin in s tem povezan magnetni moment. Če postavite proton v zunanje konstantno magnetno polje, se vrtenje in magnetni moment so usmerjeni vzdolž polja ali proti njemu, energija protona pa bo v prvem primeru manjša kot v drugem. Proton lahko preidemo iz prvega stanja v drugo tako, da mu prenesemo strogo določeno energijo, ki je enaka razliki med tema ravni energije, - na primer z obsevanjem s kvanti elektromagnetno polje z določeno frekvenco.

Kako magnetizirati helij-3

Najenostavnejši in najbolj neposreden način magnetiziranja helija-3 je, da ga ohladimo v močnem magnetnem polju. Vendar je učinkovitost te metode zelo nizka, zahteva pa tudi močna magnetna polja in nizke temperature. Zato se v praksi uporablja metoda optičnega črpanja - prenos spina na atome helija iz polariziranih fotonov črpalke. V primeru helija-3 se to zgodi v dveh stopnjah: optično črpanje v metastabilnem stanju in spinska izmenjava med atomi helija v osnovnem in metastabilnem stanju. Tehnično se to izvede z obsevanjem celice s helijem-3 z laserskim sevanjem s krožno polarizacijo, ki jo v prisotnosti šibkega magnetnega polja prenese v metastabilno stanje s šibko visokofrekvenčno električno razelektritvijo. Polarizirani helij se lahko hrani v posodi, obloženi s cezijem, pri tlaku 10 atmosfer približno 100 ur.

Natančno tako deluje MRI skener, le da ne zazna posameznih protonov. Če postavite vzorec, ki vsebuje veliko število protonov v močno magnetno polje, potem bo število protonov z magnetnim momentom, usmerjenim vzdolž in proti polju, približno enako. Če začnete ta vzorec obsevati z elektromagnetnim sevanjem strogo določene frekvence, se bodo vsi protoni z magnetnim momentom (in vrtenjem) "vzdolž polja" obrnili in zavzeli položaj "proti polju". V tem primeru pride do resonančne absorpcije energije, med procesom vračanja v prvotno stanje, ki ga imenujemo relaksacija, pa do ponovnega oddajanja prejete energije, ki ga lahko zaznamo. Ta pojav imenujemo jedrska magnetna resonanca, NMR. Povprečna polarizacija snovi, od katere je odvisen uporabni signal pri NMR, je premo sorazmerna z jakostjo zunanjega magnetnega polja. Za pridobitev signala, ki ga je mogoče zaznati in ločiti od šuma, je potreben superprevodni magnet - le ta lahko ustvari magnetno polje z indukcijo približno 1-3 Tesla.

Magnetni plin

MRI skener »vidi« kopičenja protonov, zato je odličen za preučevanje in diagnosticiranje mehkih tkiv in organov, ki vsebujejo velike količine vodika (predvsem v obliki vode), poleg tega pa omogoča razlikovanje magnetnih lastnosti molekul. Na ta način lahko recimo ločite arterijsko kri, ki vsebuje hemoglobin (glavni prenašalec kisika v krvi) od venske krvi, ki vsebuje paramagnetni deoksihemoglobin – na tem temelji fMRI (funkcionalna MRI), ki omogoča spremljanje aktivnosti nevronov v možganih.

Ampak, žal, tako čudovita tehnika, kot je MRI, je popolnoma neprimerna za preučevanje pljuč, napolnjenih z zrakom (tudi če jih napolnite z vodikom, bo signal iz plinastega medija z nizko gostoto prešibek glede na hrup v ozadju). In mehka tkiva pljuč niso dobro vidna z MRI, saj so "porozna" in vsebujejo malo vodika.

Ali je to omejitev mogoče zaobiti? Možno je, če uporabite "magnetiziran" plin - v tem primeru povprečna polarizacija ne bo določena z zunanjim poljem, ker bodo vsi (ali skoraj vsi) magnetni momenti usmerjeni v isto smer. In to sploh ni znanstvena fantastika: leta 1966 je francoski fizik Alfred Kastler prejel Nobelova nagrada z besedilom "Za odkritje in razvoj optičnih metod za preučevanje Hertzovih resonanc v atomih." Ukvarjal se je z vprašanji optične polarizacije spinskih sistemov - to je natančno "magnetizacija" plinov (zlasti helija-3) z uporabo optičnega črpanja med resonančno absorpcijo krožno polariziranih fotonov.

Jedrska magnetna resonanca uporablja magnetne lastnosti vodikovih jeder – protonov. Brez zunanjega magnetnega polja so magnetni momenti protonov usmerjeni naključno (kot na prvi sliki). Ko se uporabi močno magnetno polje, so magnetni momenti protonov usmerjeni vzporedno s poljem - bodisi "vzdolž" bodisi "proti". Ta dva položaja imata različno energijo (2). Radiofrekvenčni impulz z resonančno frekvenco, ki ustreza energijski razliki, »obrne« magnetne momente protonov »proti« polju (3). Po koncu radiofrekvenčnega impulza pride do obratnega "obrata" in protoni se oddajajo pri resonančna frekvenca. Ta signal sprejme radiofrekvenčni sistem tomografa in ga računalnik uporabi za izdelavo slike (4).

Dihajte globlje

Uporabo polariziranih plinov v medicini je začela skupina raziskovalcev s Princetona in univerze New York v Stony Brooku. Leta 1994 so znanstveniki v reviji Nature objavili članek, ki je pokazal prvo MRI sliko mišjih pljuč.

Res je, MRI ni povsem standardna - tehnika je temeljila na odzivu ne vodikovih jeder (protonov), temveč jeder ksenona-129. Poleg tega plin ni bil čisto navaden, ampak hiperpolariziran, torej vnaprej "magnetiziran". Tako se je rodilo nova metoda diagnostiko, ki se je kmalu začela uporabljati v humani medicini.

Hiperpolariziran plin (običajno pomešan s kisikom) doseže najbolj oddaljene vdolbine pljuč, kar omogoča pridobitev MRI slike z ločljivostjo, ki je za red velikosti višja od najboljših rentgenskih slik. Možno je celo izdelati podroben zemljevid parcialnega tlaka kisika v vsakem delu pljuč in nato sklepati o kakovosti krvnega pretoka in difuzije kisika v kapilarah. Ta tehnika omogoča preučevanje narave pljučne ventilacije pri astmatikih in spremljanje dihanja kritičnih bolnikov na ravni alveolov.

Kako deluje MRI? MRI skener zaznava skupine protonov – jedra vodikovih atomov. Zato MR slikanje pokaže razlike v vsebnosti vodika (predvsem vode) v različnih tkivih. Obstajajo tudi drugi načini za razlikovanje enega tkiva od drugega (na primer razlike v magnetne lastnosti), ki se uporabljajo v specializiranih raziskavah.

Prednosti MRI z uporabo hiperpolariziranih plinov se tu ne končajo. Ker je plin hiperpolariziran, je nivo uporabnega signala veliko višji (približno 10.000-krat). To pomeni, da ni potrebe po super močnem magnetna polja, in vodi do oblikovanja tako imenovanih skenerjev MRI z nizkim poljem - so cenejši, bolj mobilni in veliko bolj prostorni. Takšne instalacije uporabljajo elektromagnete, ki ustvarjajo polje reda velikosti 0,005 Tesla, kar je več stokrat šibkejše od standardnih MRI skenerjev.

Majhna ovira

Čeprav so bili prvi poskusi na tem področju izvedeni s hiperpolariziranim ksenonom-129, ga je kmalu nadomestil helij-3. Je neškodljiv, daje jasnejše slike kot ksenon-129 in ima trikrat večji magnetni moment, zaradi česar je NMR signal močnejši. Poleg tega je obogatitev ksenona-129 zaradi bližine mase z drugimi izotopi ksenona drag postopek, dosegljiva polarizacija plina pa je bistveno nižja kot pri heliju-3. Poleg tega ima ksenon-129 sedativni učinek.

Toda če so tomografi z nizkim poljem preprosti in poceni, zakaj se metoda MRI s hiperpolariziranim helijem zdaj ne uporablja v vseh klinikah? Obstaja ena ovira. Ampak kaj!

Dediščina hladne vojne

Edini način za proizvodnjo helija-3 je razpad tritija. Večina zalog 3He izvira iz razpada tritija, proizvedenega med jedrsko oboroževalno tekmo med hladna vojna. V ZDA se je do leta 2003 nabralo približno 260.000 litrov "surovega" (neprečiščenega) helija-3, do leta 2010 pa je ostalo le še 12.000 litrov neporabljenega plina. Zaradi naraščajočega povpraševanja po tem redkem plinu so leta 2007 celo obnovili proizvodnjo omejenih količin tritija, do leta 2015 pa načrtujejo proizvodnjo dodatnih 8000 litrov helija-3 letno. Poleg tega je letna potreba po njem že najmanj 40.000 litrov (od tega se le 5 % porabi v medicini). Aprila 2010 je ameriški odbor za znanost in tehnologijo sklenil, da bi pomanjkanje helija-3 povzročilo resnične negativne posledice na številnih področjih. Celo znanstveniki, ki delajo v ameriški jedrski industriji, imajo težave pri pridobivanju helija-3 iz državnih rezerv.

Hlajenje z mešanjem

Druga industrija, ki ne more brez helija-3, je kriogena industrija. Za doseganje ultra nizkih temperatur, t.i. hladilnik za raztapljanje, ki uporablja učinek raztapljanja helija-3 v helij-4. Pri temperaturah pod 0,87 K se mešanica loči v dve fazi – bogato s helijem-3 in helijem-4. Prehod med temi fazami zahteva energijo, kar omogoča ohlajanje na zelo nizke temperature – do 0,02 K. Najenostavnejša taka naprava ima zadostno zalogo helija-3, ki postopoma prehaja preko vmesnika v fazo, bogato s helijem. -4 z absorpcijo energije. Ko zmanjka zaloge helija-3, naprava ne bo mogla več delovati - je "za enkratno uporabo".
To metodo hlajenja so zlasti uporabili v orbitalnem observatoriju Planck Evropske vesoljske agencije. Planckova naloga je vključevala snemanje anizotropije sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja (s temperaturo približno 2,7 K) z visoka ločljivost z uporabo 48 bolometričnih detektorjev HFI (High Frequency Instrument), ohlajenih na 0,1 K. Preden je bila zaloga helija-3 v hladilnem sistemu izčrpana, je Planck uspel posneti 5 fotografij neba v mikrovalovnem območju.

Dražbena cena helija-3 se giblje okoli 2000 dolarjev na liter, trendov padanja pa ni opaziti. Pomanjkanje tega plina je posledica dejstva, da se glavnina helija-3 uporablja za izdelavo nevtronskih detektorjev, ki se uporabljajo v napravah za detekcijo jedrskih snovi. Takšni detektorji registrirajo nevtrone z reakcijo (n, p) - zajem nevtrona in emisija protona. In za odkrivanje poskusov uvoza jedrskih materialov je potrebnih veliko takšnih detektorjev - na stotine tisoč kosov. Prav zaradi tega je helij-3 postal fantastično drag in nedostopen množični medicini.

Vendar pa obstaja upanje. Res je, da ne temeljijo na lunarnem heliju-3 (njegovo pridobivanje ostaja oddaljena perspektiva), temveč na tritiju, proizvedenem v težkovodnih reaktorjih tipa CANDU, ki delujejo v Kanadi, Argentini, Romuniji, na Kitajskem in v Južni Koreji.

Helij 3 - energija prihodnosti

Vsi vemo, da naše olje ni neskončno, raziskave pa so dokazale tudi njegovo organsko poreklo – to pomeni, da je nafta neobnovljiv vir. Nafta je vnetljiva oljnata tekočina, ki je mešanica ogljikovodikov, rdeče-rjave, včasih skoraj črne barve, včasih pa najdemo tudi rahlo rumeno-zeleno in celo brezbarvno olje, specifičnega vonja in razširjeno v sedimentni lupini Zemlja; eden najpomembnejših mineralov. Nafta je zmes približno 1000 posameznih snovi, od katerih je večina tekočih ogljikovodikov. Nafta zavzema vodilno mesto v svetovni energijski bilanci: njen delež v skupni porabi energije je 48 %, zato je nafta kot vir energije tako pomembna za človeštvo.

Trenutno so glavni viri energije: termoelektrarne, termoelektrarne in jedrske elektrarne.

Iz grafa je jasno razvidno, da se lahko prednjačijo le termoelektrarne, ki kot gorivo uporabljajo neobnovljive vire, kot so nafta (vse vrste goriva, pridobljena iz nafte), premog in plin.

Hidroelektrarne predstavljajo le 20 %, pa tudi če jih začne svet uporabljati največja količina reke pod hidroelektrarnami, skupna energija, ki jo sprostijo vse hidroelektrarne, ne bo mogla zadovoljiti potreb človeštva.

Jedrske elektrarne predstavljajo le 17 % svetovne proizvodnje energije, uporaba atomskih fisijskih reakcij ima za seboj resne posledice v obliki sevanja.

Danes se plin, premog, šota in energija atomske cepitve (jedrska energija) aktivno uporabljajo kot alternativne surovine, vendar se dobro zavedamo, da ne morejo popolnoma nadomestiti nafte kot surovine za proizvodnjo energije. In zaloge istega zemeljskega plina niso neskončne; z uporabo teh alternativnih surovin bomo energetsko krizo samo odložili.

Znanstveniki se dobro zavedajo problema, ki jih pesti za petami, ter ustvarjajo in preučujejo alternativnih virov energije. Trenutno znanstveniki delajo na projektih, ki vključujejo uporabo:

Bioplin

Biodizelsko gorivo

Bioetanol

Vetrna energija

Vodikova energija

Geotermalna energija

Sončne celice

Jedrska energija

Termonuklearna energija (na osnovi uporabe helija 3)

Glavni del

Torej, poglejmo vsako alternativo posebej.

2.1.Bioplin

Biometan je plin, pridobljen s fermentacijo organskih odpadkov (bioplin). Najprimernejši prostor za uporabo bioplina je ogrevanje živinorejskih farm, stanovanjskih in tehnoloških prostorov. Bioplin se lahko uporablja tudi kot pogonsko gorivo. Odvečno pridobljeno gorivo se lahko pretvori v električno energijo z uporabo dizelskih generatorjev.

Biometan ima nizko volumetrično koncentracijo energije. Pri normalnih pogojih je kalorična vrednost 1 liter. biometan je 33 - 36 kJ.

Biometan ima visoko detonacijsko odpornost, kar omogoča zmanjšanje koncentracije škodljivih snovi v izpušnih plinih in zmanjšanje količine usedlin v motorju.

Biometan kot pogonsko gorivo naj bi se v transportnih motorjih uporabljal v stisnjenem ali utekočinjenem stanju. Vendar pa je glavni omejevalni dejavnik za široko uporabo stisnjenega biometana kot motornega goriva, tako kot v primeru stisnjenega zemeljskega plina, prevoz velike mase jeklenk za gorivo.

V tujini posvečajo veliko pozornosti problemu pridobivanja in uporabe bioplina. Za kratkoročno V mnogih državah sveta je nastala cela industrija za proizvodnjo bioplina: če je bilo leta 1980 na svetu približno 8 milijonov naprav za proizvodnjo bioplina s skupno zmogljivostjo 1,7-2 milijarde kubičnih metrov. m na leto, potem trenutno ti kazalniki ustrezajo produktivnosti bioplina samo ene države - Kitajske.

Prednosti bioplina vključujejo:

Proizvodnja energije brez dodatnih emisij CO 2 .

• Zaprti sistemi ne prenašajo ali rahlo prenašajo vonjave.

Izboljšanje trgovinskih razmer in zmanjšanje odvisnosti od uvoznikov energije.

Elektriko lahko iz bioplina proizvajamo 24 ur na dan.

Brez odvisnosti od vetra/vode/elektrike.

Izboljšanje gnojenja tal.

2.2 Biodizel

Biodizel je gorivo na osnovi rastlinskih ali živalskih maščob (olj) ter produktov njihovega zaestrenja. V vozilih se uporablja v obliki različnih mešanic z dizelskim gorivom.

Okoljski vidiki uporabe:

Biodizel, kot so pokazali poskusi, ne škoduje rastlinam in živalim, ko ga spustimo v vodo. Poleg tega je podvržen skoraj popolni biološki razgradnji: v zemlji ali vodi mikroorganizmi predelajo 99 % biodizla v 28 dneh, kar kaže na zmanjšanje onesnaževanja rek in jezer.

Prednosti biodizla vključujejo:

povečanje cetanskega števila in mazljivosti, kar podaljša življenjsko dobo motorja;

znatno zmanjšanje škodljivih emisij (vključno s CO, CO2, SO2, drobnimi delci in hlapnimi organske spojine);

olajšanje čiščenja injektorjev, črpalk za gorivo in kanalov za dovod goriva.

Napake

V hladni sezoni je treba gorivo, ki prihaja iz rezervoarja za gorivo, ogreti v črpalko za gorivo ali uporabiti mešanico 20% BIODIIESEL in 80% dizelskega goriva.

2.3.Bioetanol

Bioetanol je tekoče alkoholno gorivo, katerega hlapi so težji od zraka. Proizveden je iz kmetijskih proizvodov, ki vsebujejo škrob ali sladkor, kot so koruza, žita ali sladkorni trs. Za razliko od alkohola, iz katerega izdelujejo alkoholne pijače, gorivni etanol ne vsebuje vode in nastaja s skrajšano destilacijo (dve destilacijski koloni namesto petih) in zato vsebuje metanol in fuzelna olja ter bencin, zaradi česar ni primeren za pitje.

Bioetanol za gorivo se proizvaja na približno enak način kot običajni alkohol za hrano za proizvodnjo alkoholnih pijač, vendar obstaja nekaj pomembnih razlik.

Etanol lahko proizvedemo iz vseh surovin, ki vsebujejo sladkor in škrob: sladkorni trs in pesa, krompir, topinambur, koruza, pšenica, ječmen, rž itd.

Prednosti bioetanola vključujejo:

Etanol ima visoko oktansko število

Bioetanol je razgradljiv in ne onesnažuje naravnega

vodni sistemi

10 % etanola v bencinu zmanjša toksičnost izpušnih plinov

zmanjšajo emisije CO za 26 %, emisije dušikovih oksidov

za 5 %, aerosolnih delcev za 40 %.

Etanol je edini obnovljiv vir

tekoče gorivo, katerega uporaba je

kot dodatek k bencinu ne zahteva modifikacije

zasnove motorjev

Nima posebej izrazitih pomanjkljivosti.

2.4. Energija vetra

Vetrna energija je nereguliran vir energije. Proizvodnja vetrne elektrarne je odvisna od moči vetra, ki je zelo spremenljiv dejavnik. V skladu s tem je proizvodnja električne energije iz vetrnega generatorja v elektroenergetski sistem zelo neenakomerna tako na dnevni, tedenski, mesečni, letni in dolgoročni ravni. Glede na to, da ima sam energetski sistem nehomogenosti v energijski obremenitvi (vrhovi in ​​padci porabe energije), ki jih vetrna energija seveda ne more regulirati, vnos pomembnega deleža vetrne energije v energetski sistem prispeva k njegovi destabilizaciji. Jasno je, da vetrna energija zahteva rezervo moči v energetskem sistemu (na primer v obliki plinskih turbinskih elektrarn), pa tudi mehanizme za izravnavo heterogenosti njihove proizvodnje (v obliki hidroelektrarn ali črpalnih elektrarn). akumulacijske elektrarne). Ta funkcija vetrna energija bo znatno povečala stroške električne energije, prejete iz njih. Energetski sistemi so bili zelo neradi priklopiti vetrne turbine na omrežje, kar je privedlo do zakonodaje, ki to od njih zahteva.

Majhne posamične vetrne turbine imajo lahko težave z omrežno infrastrukturo, ker so lahko stroški prenosnega voda in stikalne opreme za priključitev na omrežje previsoki.

Velike vetrne turbine se srečujejo s precejšnjimi težavami pri popravilih, saj je zamenjava velikega dela (lamele, rotorja itd.) na višini več kot 100 m zapleten in drag podvig.

Prednosti:

Okolju prijazen.

Varno za ljudi (brez sevanja, odpadkov).

Glavne slabosti:

Nizka energijska gostota na enoto površine vetrnega kolesa; nepredvidljive spremembe hitrosti vetra čez dan in letni čas, ki zahtevajo rezervno vetrno postajo ali kopičenje proizvedene energije; negativen vpliv na življenjski prostor ljudi in živali, na televizijske komunikacije in sezonske selitvene poti ptic.

2.5. Vodikova energija

Vodikova energija je smer proizvodnje in porabe energije s strani človeštva, ki temelji na uporabi vodika kot sredstva za kopičenje, transport in porabo energije s strani ljudi, prometne infrastrukture in različnih proizvodnih področij. Kot najpogostejši element na zemeljskem površju in v vesolju je izbran vodik, zgorevalna toplota vodika je največja, produkt zgorevanja v kisiku pa je voda (ki se ponovno vključi v vodikov energijski cikel). Obstaja več načinov pridobivanja vodika:

Iz zemeljskega plina

Uplinjanje premoga:

Elektroliza vode (*reverzna reakcija)

Vodik iz biomase

Prednosti:

okolju prijaznost vodikovega goriva.

obnovljivost.

izjemno visoka učinkovitost - 75%, kar je skoraj 2,5-krat več kot pri najsodobnejših napravah, ki delujejo na nafto in plin.

Vodik ima tudi resnejše slabosti. Prvič, brezplačno plinasto stanje v naravi ne obstaja, se pravi, da ga je treba rudariti. Drugič, vodik kot plin je zelo nevaren. Njegova mešanica z zrakom najprej nevidno "gori", to je, da sprošča toploto, nato pa zlahka eksplodira ob najmanjši iskri. Klasičen primer eksplozija vodika - Černobilska nesreča, ko je zaradi pregrevanja cirkonija in stika z vodo nastal vodik, ki je nato eksplodiral. Tretjič, vodik je treba nekje shraniti in v velikih posodah, saj ima nizko gostoto. In stisniti ga je mogoče le pod zelo visokim pritiskom, približno 300 atmosfer.

2.6. Geotermalna energija

Vulkanski izbruhi jasno kažejo na ogromno vročino v notranjosti planeta. Znanstveniki ocenjujejo, da je temperatura Zemljinega jedra na tisoče stopinj Celzija. Ta temperatura postopoma pada od vročega notranjega jedra, kjer znanstveniki verjamejo, da lahko kovine in kamnine obstajajo le v staljenem stanju, do površja Zemlje. Geotermalna energija lahko se lahko uporablja na dva glavna načina - za proizvodnjo električne energije in za ogrevanje domov, ustanov in industrijskih podjetij. Za katere od teh namenov bo uporabljen, je odvisno od oblike, v kateri pride v našo last. Včasih voda izbruhne iz zemlje v obliki čiste »suhe pare«, tj. para brez primesi vodnih kapljic. To suho paro je mogoče neposredno uporabiti za vrtenje turbine in proizvodnjo električne energije. Kondenzno vodo lahko vrnemo nazaj v tla in jo, če je kakovostne, izpustimo v bližnje vodno telo.

Pretvorba toplotne energije oceana.

Ideja uporabe temperaturne razlike oceanske vode za proizvodnjo električne energije je nastala pred približno 100 leti, in sicer leta 1981. Francoski fizik Jacques D. Arsonval je objavil članek o sončna energija morja. Takrat je bilo že veliko znanega o sposobnosti sprejemanja in kopičenja oceana toplotna energija. Poznali so tudi mehanizem rojstva oceanskih tokov in osnovne vzorce nastanka temperaturnih razlik med površinskimi in globokimi plastmi vode.

Uporaba temperaturnih razlik je možna v treh glavnih smereh: neposredna pretvorba na osnovi termoelementov, pretvorba toplote v mehanska energija v toplotnih strojih in pretvorbo v mehansko energijo v hidravličnih strojih z uporabo razlike v gostoti tople in hladne vode.

Prednosti:

ne potrebujejo skoraj nobenega vzdrževanja.

Ena od prednosti geotermalne elektrarne je, da v primerjavi z elektrarno na fosilna goriva ob enaki proizvodnji električne energije izpusti približno dvajsetkrat manj ogljikovega dioksida in tako zmanjša njen vpliv na globalno okolje.

Glavna prednost geotermalne energije je njena praktična neizčrpnost in popolna neodvisnost od okoljskih razmer, časa dneva in leta.

Kakšne težave nastanejo pri uporabi podzemnih termalnih voda? Glavna je potreba po ponovnem dovajanju odpadne vode v podzemni vodonosnik. Termalne vode vsebujejo velike količine soli različnih strupenih kovin (na primer bor, svinec, cink, kadmij, arzen) in kemične spojine(amoniak, fenoli), kar onemogoča izpust teh voda v naravne vodne sisteme, ki se nahajajo na površini.

2.7. Sončne celice

Načela delovanja sončnih celic:

sončna elementi (SE) so izdelani iz materialov, ki neposredno pretvarjajo sončna svetloba v elektriko. Večina trenutno komercialno proizvedenih sončnih celic je izdelanih iz silicija.

IN zadnja leta Razvite so bile nove vrste materialov za sončne celice. Na primer, tankoplastne sončne celice iz bakrovega indijevega diselenida in CdTe (kadmijev telurid). Ti SE so noter v zadnjem času uporabljajo tudi komercialno.

Prednosti:

Energija sonca je skoraj neskončna

Okolju prijazen

Varno za ljudi in naravo

Slabosti: Sončna elektrarna ne deluje ponoči in ne deluje dovolj učinkovito v jutranjem in večernem mraku. Hkrati se vrhunec porabe energije pojavi ravno v večernih urah. Poleg tega lahko proizvodnja elektrarne močno in nepričakovano niha zaradi spreminjanja vremena. Zaradi relativno majhne vrednosti sončne konstante za sončna energija potrebna uporaba velike površine zemljišče za elektrarne (npr. za 1 GW elektrarno je to lahko več deset kvadratnih kilometrov). Kljub okolju prijaznosti proizvedene energije pa same fotovoltaične celice vsebujejo strupene snovi, na primer svinec, kadmij, galij, arzen itd., pri njihovi proizvodnji pa se porabi še veliko drugih nevarnih snovi. Sodobne sončne celice imajo omejeno življenjsko dobo (30-50 let), množična uporaba pa bo v bližnji prihodnosti odprla težko vprašanje njihovega odlaganja, ki tudi z okoljskega vidika še nima sprejemljive rešitve.

2.8. Jedrska energija

Jedrska energija (atomska energija), notranja energija atomskih jeder, ki se sprosti med jedrskimi transformacijami ( jedrske reakcije). Uporaba jedrske energije temelji na izvajanju verižnih reakcij cepitve težkih jeder in reakcij termonuklearna fuzija- zlitje lahkih jeder; obe reakciji spremljata sproščanje energije. Na primer, med cepitvijo enega jedra se sprosti približno 200 MeV. Pri popolni cepitvi jeder, ki jih vsebuje 1 g urana, je sproščena energija 2,3 * 104 kWh. To je enako energiji, ki jo dobimo s sežigom 3 ton premoga ali 2,5 tone nafte. V jedrskih reaktorjih se uporablja nadzorovana reakcija jedrske fisije.

Prednosti:

nizke in stabilne (glede na stroške goriva) cene električne energije;

povprečen vpliv na ekološko okolje.

Napake jedrske elektrarne:

Obsevano gorivo je nevarno in zahteva zapletene in drage ukrepe predelave in shranjevanja;

Način delovanja s spremenljivo močjo je nezaželen za reaktorje, ki delujejo na toplotne nevtrone;

Če je verjetnost incidentov majhna, so njihove posledice izjemno hude

Velike kapitalske naložbe, tako specifične, na 1 MW nameščene moči za enote z zmogljivostjo manj kot 700-800 MW, kot splošne, potrebne za izgradnjo postaje, njene infrastrukture, pa tudi v primeru morebitne likvidacije.

Vse zgoraj naštete alternative nafti imajo eno, a zelo pomembno pomanjkljivost: NE Zmorejo POPOLNOMA nadomestiti nafte kot vira energije. V tej situaciji lahko pomaga le uporaba termonuklearne energije.

2.9.Termonuklearna energija

Termonuklearna energija s sodelovanjem helija 3 je varna in kakovostna energija.

Termonuklearne reakcije. Med termonuklearnimi reakcijami se sprosti energija, ko se jedra lahkih atomov devterija, tritija ali litija zlijejo v helij. Te reakcije imenujemo termonuklearne, ker se lahko pojavijo le pri zelo visoke temperature. V nasprotnem primeru električne odbojne sile ne dovolijo, da bi se jedra dovolj približala, da bi začele delovati jedrske privlačne sile. Reakcije jedrske fuzije so vir zvezdne energije. Enake reakcije se pojavijo med eksplozijo vodikove bombe. Izvedba nadzorovane termonuklearne fuzije na Zemlji človeštvu obljublja nov, praktično neizčrpen vir energije. Najbolj obetavna reakcija v zvezi s tem je zlitje devterija in tritija.

Če uporabite devterij z izotopom helija-3 v termonuklearnem reaktorju namesto materialov, ki se uporabljajo v jedrski energiji. Intenzivnost nevtronskega toka pade za 30-krat - v skladu s tem je mogoče enostavno zagotoviti življenjsko dobo reaktorja 30-40 let (skladno s tem se zmanjša količina oddanega sevanja). Po koncu delovanja helijevega reaktorja ne bodo nastajali visokoradioaktivni odpadki, radioaktivnost konstrukcijskih elementov pa bo tako nizka, da jih bo mogoče dobesedno zakopati na mestnem odlagališču, rahlo posute z zemljo.

V čem je torej problem? Zakaj še vedno ne uporabljamo tako koristnega termonuklearnega goriva?

Najprej zato, ker je tega izotopa na našem planetu izjemno malo. Rodi se v Soncu, zato ga včasih imenujejo "sončni izotop". Njegovo skupna masa presega težo našega planeta. Helij-3 v okoliški prostor prenaša sončni veter. Zemljino magnetno polje odkloni pomemben del tega vetra, zato helij-3 predstavlja le eno trilijonko Zemljine atmosfere - približno 4000 ton, na sami Zemlji pa še manj - približno 500 kg.

Tega izotopa je na Luni veliko več. Tam je vgrajena v lunino zemljo "regolit", katerega sestava je podobna navadni žlindri. Gre za o ogromnih – skoraj neizčrpnih rezervah!

Analiza šestih vzorcev tal, ki so jih prinesle odprave Apollo, in dveh vzorcev, ki jih je dostavila Sovjetska zveza avtomatske postaje"Luna" je pokazala, da regolit, ki pokriva vsa morja in planote Lune, vsebuje do 106 ton helija-3, kar bi zadovoljilo potrebe zemeljske energije, celo večkrat povečane v primerjavi s sodobnimi, v tisočletju! Po sodobnih ocenah so zaloge helija-3 na Luni tri velikosti večje - 109 ton.

Poleg Lune je helij-3 mogoče najti v gosti atmosferi planetov velikanov, po teoretičnih ocenah pa znašajo njegove zaloge samo na Jupitru 1020 ton, kar bi zadostovalo za oskrbo Zemlje z energijo do konec časa.

Projekti rudarjenja helija-3

Regolit prekriva Luno s plastjo, debelo nekaj metrov. Regolit lunarna morja bogatejši s helijem kot planotasti regolit. 1 kg helija-3 je v približno 100.000 tonah regolita.

Posledično je za pridobivanje dragocenega izotopa potrebno predelati ogromno količino drobljive lunine zemlje.

Ob upoštevanju vseh značilnosti mora proizvodna tehnologija helija-3 vključevati naslednje procese:

1. Pridobivanje regolita.

Posebni »kombajni« bodo zbirali regolit iz približno 2 m debele površinske plasti in ga dostavljali na predelovalna mesta ali predelovali neposredno med procesom rudarjenja.

2. Sproščanje helija iz regolita.

Pri segrevanju regolita na 600?C se sprosti (desorbira) 75% helija, ki ga vsebuje regolit, pri segrevanju na 800?C pa se sprosti skoraj ves helij. Predlagano je segrevanje prahu v posebnih pečeh, ki fokusirajo sončno svetlobo s plastičnimi lečami ali ogledali.

3. Dostava na Zemljo vesoljske ladje za večkratno uporabo.

Pri ekstrakciji helija-3 iz regolita se ekstrahirajo tudi številne snovi: vodik, voda, dušik, ogljikov dioksid, dušik, metan, ogljikov monoksid – kar bi lahko bilo koristno pri vzdrževanju lunarnega industrijskega kompleksa.

Projekt prvega lunarnega kombajna, namenjenega obdelavi regolita in izločanju izotopa helija-3 iz njega, je predlagala skupina J. Kulczynskega. Trenutno zasebna ameriška podjetja razvijajo več prototipov, ki bodo očitno prijavljeni na natečaj, potem ko se bo NASA odločila o značilnostih prihodnje odprave na Luno.

Jasno je, da bo treba tam poleg dostave kombajnov na Luno zgraditi skladišča, bazo s posadko (za servisiranje celotnega kompleksa opreme), kozmodrom in še veliko več. Menijo pa, da se bodo visoki stroški oblikovanja razvite infrastrukture na Luni izdatno obrestovali v smislu prihajajoče svetovne energetske krize, ko bo treba opustiti tradicionalne vrste energetskih virov (premog, nafta, zemeljski plin). .

Če upoštevamo, da bo nafte zmanjkalo v 35-40 letih, potem imamo dovolj časa za izvedbo takega projekta. In tista država, ki jo zna uresničiti, bo v prihodnje vodilna in če združimo moči, lahko dosežemo večje rezultate v hitrejšem roku.

Torej, zakaj fuzijska energija? Ker to:

Obsežen vir energije z gorivom v izobilju in na voljo povsod.

Zelo nizek globalni vpliv na okolje – brez emisij CO2.

- »Vsakodnevno delovanje« elektrarne ne zahteva prevoza radioaktivnih snovi.

Elektrarna je varna, brez možnosti »taljenja« ali »pobegle reakcije«.

Radioaktivnih odpadkov ni, kar ne povzroča težav za prihodnje generacije.

Je dobičkonosno: Za proizvodnjo 1 GW energije je potrebno porabiti približno 100 kg devterija in 3 tone naravnega litija v celem letu, kar proizvede približno 7 milijard kWh

3. Zaključek

In tako, energija je pomemben vir potrebnih za udoben obstoj človeštva. In proizvodnja energije je eden glavnih problemov človeštva. Nafta se zdaj aktivno uporablja kot vir električne energije in goriva, vendar ni neskončna in njene zaloge se vsako leto le zmanjšujejo. In trenutno razvite alternative ne nadomeščajo popolnoma nafte ali imajo resne pomanjkljivosti.

Danes je edini vir energije, ki lahko zagotovi potrebno količino energije za celotno človeštvo in brez resnih pomanjkljivosti, termonuklearna energija, ki temelji na uporabi helija 3. Tehnologija pridobivanja energije iz te reakcije je delovno intenzivna in zahteva veliko investicije, a tako pridobljena energija je okolju prijazna in se meri v milijardah kilovatov.

Če dobite poceni in okolju prijazno energijo, lahko čim bolj nadomestite nafto, na primer opustite bencinske motorje v korist električnih, proizvajate toploto z uporabo električne energije itd. Tako nafta kot surovinski vir za kemično proizvodnjo bo človeštvu dovolj za mnoga stoletja.

Zato je treba ustvariti industrijo na Luni (ki je glavni vir helija 3). Če želite ustvariti industrijo, morate imeti razvojni načrt, to pa je stvar več let in prej ko začnete, bolje je. Kajti če morate to storiti v brezizhodni situaciji (na primer med energetsko krizo), nujno, bo to povzročilo popolnoma druge stroške.

In država, ki se hitreje razvija v tej smeri, bo v prihodnosti postala vodilna. Kajti energija je prihodnost.

4. Seznam uporabljene literature

1. http://ru.wikipedia.org/ - svetovna enciklopedija

2. http://www.zlev.ru/61_59.htm - Revija “Zlati lev” št. 61-62 - publikacija ruske konzervativne misli, Kdaj bo zmanjkalo nafte?

3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html -POGLED / Ko zmanjka olja

4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - POGLED / Svetu zmanjkuje nafte

5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html -> Alternativa olju?. Fakulteta za molekularno in biološko fiziko, MIPT. "Phystech-Portal", "Phystech-center"

6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - JEDRSKA ENERGIJA - Internetna enciklopedija, razlagalni slovar.

7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 -Od kod prihaja elektrika (zgodovina nastanka)

8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm -Energija biomase. Projekt UNDP/GEF BYE/03/G31 v Belorusiji

9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Prednosti in slabosti vetrne energije. Principi pretvorbe vetrne energije. Energija vetra

10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ - Vodikova energija. Energija in energetika.

11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Primarni viri energije in termonuklearna energija

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

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

14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - HELIJ-TRI - ENERGIJA PRIHODNOSTI - lunarni program - Katalog člankov - Razvoj

15. http://www.fp7-bio.ru/presentations/fisheries/bioetanol.pdf/at_download/file - energija prihodnosti

16. http://www.scienmet.net/ - Vetrni generator, vetrna energija

17. http://oil-resources.info - virov goriva

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

19.http://www.ruscourier.ru/archive/2593 - slabosti vodika

20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html - Energija iz globin - www.intersolar.ru

21.http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/ru/feature/feature09.html - NIPPONIA št. 28 15. marec 2004

22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc - alternativni viri energije

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

24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ - jedrska energija

25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm - termonuklearna energija v akciji

26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 - Poslovni KM.RU. Prihodnost ruske energetike je v biogorivih in termonuklearni energiji

»Zdaj govorimo o termonuklearni energiji prihodnosti in novi ekološki vrsti goriva, ki ga na Zemlji ni mogoče proizvesti. Govorimo o industrijskem razvoju Lune za pridobivanje helija-3.« Ta izjava vodje raketno-vesoljske korporacije Energia Nikolaja Sevastjanova, če ni pretresla domišljije zakonitih Rusov (zdaj, tik pred novo kurilno sezono, imajo opravka le s helijem-3 ), potem domišljija strokovnjakov in zainteresiranih ljudi ni pustila ravnodušnih.

To je razumljivo: glede na, milo rečeno, ne bleščeče stanje v domači vesoljski industriji (Ruski vesoljski proračun je 30-krat manjši kot v ZDA in 2-krat manjši kot v Indiji; od leta 1989 do 2004 smo izstrelili le 3 letala). raziskovalno vesoljsko plovilo), kar naenkrat, tako, nič več, nič manj - Rusi bodo na Luni kopali helij-3! Naj vas spomnim, da je teoretično ta lahki izotop helija sposoben vstopiti v termonuklearno reakcijo z devterijem. Zato mnogi znanstveniki menijo, da je fuzija potencialno neomejen vir poceni energije. Vendar pa obstaja težava: helij-3 predstavlja manj kot milijoninko celotne količine helija na Zemlji. Toda v luninih tleh je ta lahki izotop v izobilju: po besedah ​​akademika Erica Galimova je okoli 500 milijonov ton ...

Pravijo, da je nekoč v ZDA pred vhodom v Disneyland visel ogromen plakat: "Mi in naša država zmoremo vse, edino, kar nas omejujejo, so meje naše domišljije." Vse to ni bilo daleč od resnice: hiter in učinkovit atomski projekt, fantastično uspešen lunarni program, strateška obrambna pobuda (SDI), ki je popolnoma uničila sovjetsko gospodarstvo. ...

V bistvu je bila ena glavnih funkcij države, zlasti v 20. stoletju, prav to, da za znanstveno skupnost oblikuje naloge, ki presegajo domišljijo. To tudi velja Sovjetska država: elektrifikacija, industrializacija, ustvarjanje atomska bomba, prvi satelit, obrat rek┘ Mimogrede, imeli smo tudi svoj "plakat" pred Disneylandom - "Rojeni smo, da uresničimo pravljico!"

»Samo mislim, da je v nekem večjem tehnološkem problemu pomanjkanje,« je v pogovoru z menoj poudaril doktor fizikalnih in matematičnih znanosti, znanstveni sekretar Inštituta. raziskovanje vesolja RAS Aleksander Zakharov. »Mogoče je to razlog, zakaj so se pred kratkim pojavile vse te govorice o pridobivanju helija-3 na Luni za termonuklearno energijo. Če je Luna vir mineralov in se ta helij-3 pripelje od tam, na Zemlji pa je premalo energije ... Vse to je razumljivo, sliši se zelo lepo. In morda je enostavno prepričati vplivne ljudi, da za to namenijo denar. Mislim, da."

Toda bistvo je, da zdaj na Zemlji ni tehnologije - in v naslednjih vsaj 50 letih ni pričakovati njenega pojava - sežiganja helija-3 v termonuklearni reakciji. Za takšen reaktor ni niti idejnega projekta. Mednarodni termonuklearni reaktor ITER, ki se trenutno gradi v Franciji, je zasnovan za "sežiganje" vodikovih izotopov - devterija in tritija. Ocenjena temperatura za "vžig" termonuklearne reakcije je 100–200 milijonov stopinj. Za uporabo helija-3 mora biti temperatura za red velikosti ali dva višja.

Torej nas vodja največje ruske raketno-vesoljske korporacije Nikolaj Sevastjanov, oprostite izrazu, zavaja s svojim helijem-3? Ne izgleda tako. Za kaj!?

"Vesoljska industrija se seveda zanima za tako velik in drag projekt," pravi Alexander Zakharov. "Toda z vidika njegove praktične uporabe je popolnoma očitno, da je to prezgodaj."

Za izvedbo projekta helij-3 je potrebno ustvariti poseben program za dodatne raziskave Lune, izstreliti celotno eskadriljo vesoljsko plovilo, rešiti vprašanja s proizvodnjo helija-3, njegovo predelavo... To bo državo uničilo hujše kot kateri koli SDI.

"Nočem reči, da je Luna znanstvena točka vizija je popolnoma zaprta - tam so še vedno znanstvene naloge,« poudarja Alexander Zakharov. – Ampak, kot pravijo, to je treba storiti korak za korakom, ne pozabim na druge znanstvene naloge. Sicer pa smo nekako sramežljivi: takoj ko so Američani objavili program poleta s posadko na Mars, smo takoj izjavili, da smo pripravljeni tudi na to. Slišali smo za lunarne programe - naredimo tudi to ... Nimamo premišljene, uravnotežene, strateške nacionalne naloge.«

Pa smo spet tam, kjer smo začeli - k strateški državni nalogi. Težava je v tem, da nas, za razliko od Američanov, ne omejuje toliko naša domišljija - s tem, kot kaže izjava Nikolaja Sevastjanova, smo v redu. Toda program "helij-3" (recimo mu tako) bo po najbolj konzervativnih ocenah zahteval 5 milijard dolarjev za pet let raziskav.

S čisto znanstvenega vidika je v problemu fuzije na osnovi TOKAMAK-ov, tudi kljub odločitev sprejeta glede gradnje mednarodnega eksperimentalnega reaktorja ITER je prišlo do stagnacije. (Vendar je to tema za ločen pogovor.) Zdi se mi, da je problem helija-3 za del vplivnega termonuklearnega lobija nova niša za oživljanje in uresničevanje poklicnih ambicij.

Še več – in to je povsem senzacionalna stvar in samo zato nisem s tem začel svojega članka – kot nam je povedal strokovnjak iz vesoljske industrije, je bila za ruski projekt izkopavanja lahkega izotopa helija namenjena milijarda dolarjev. na Luni! Ta denar naj bi bil ameriškega izvora.

Kljub zapletenosti takšne kombinacije se konci precej uspešno srečajo. Da bi dosegli dodelitev 104 milijard dolarjev za nedavno objavljeni program za ustvarjanje baze na Luni, je morala ameriška nacionalna uprava za aeronavtiko in vesolje pokazati, da tudi "strateški konkurenti" ne spijo. To pomeni, da je "ruska" milijarda na nek način režijski stroški za NASA ... Od tod vzpon zanimanja za proizvodnjo helija-3 v Rusiji, nerazložljiv z racionalnimi motivi.

Če je res tako, potem se bomo morali še enkrat vsi prepričati o veljavnosti formule, objavljene pred desetimi leti v reviji Physics Today. Tukaj je: "Znanstveniki niso nezainteresirani iskalci resnice, temveč udeleženci v intenzivnem tekmovanju za znanstveni vpliv, katerega zmagovalci polomijo banko."

HIPOTEZE, DEJSTVA, UTEMELJITVE

Lunarni helij-3 je termonuklearno gorivo prihodnosti.

Komentar avtorja spletnega mesta: Z aktiviranjem ameriškega vesoljskega programa za Lunar vse pogosteje slišimo, da poleg vode Luna vsebuje ogromne zaloge izotopa helija-3 - goriva za jedrsko energijo prihodnosti. Ali je temu tako, kakšne možnosti to obljublja človeštvu, ali moramo Luno sploh raziskovati in kako to storiti - tukaj je le majhen seznam vprašanj, odgovore na katere boste izvedeli v tem članku, ki je poglavje "Helij-3" iz knjige akademika Ruske akademije znanosti Erica Mihajloviča Galimova "Načrti in napačni izračuni: temeljne vesoljske raziskave v Rusiji v zadnjih dvajsetih letih. Dvajset let brezplodnih prizadevanj."

Dejstvo, da je Luna obogatena s helijem-3, je znano, odkar je bil lunarni material prvič prinešen na Zemljo. V vzorcih lunine prsti, ki so jih prinesli ameriški astronavti med odpravami Apollo in jih dostavila sovjetska avtomatska vesoljska ladja Luna, se je izkazalo, da je relativna koncentracija izotopa helija 3 He (razmerje 3 He / 4 He) tisočkrat večja kot v zemeljskem heliju. . To je posledica obsevanja nezaščitene atmosfere Lunine površine s korpuskularnim sevanjem Sonca. V milijardah let se atomi elementov, ki jih oddaja Sonce, vnašajo v površinski sloj prahu (regolit) Lune, predvsem vodik in helij v izotopskem razmerju, ki je značilno za Sonce. Še eno dejstvo - da je 3 He učinkovito termonuklearno gorivo - je bilo fizikom znano že prej.

Vendar iz teh dejstev v tistih letih ni bilo potegnjenega nobenega praktičnega zaključka.

Zemljino energijo je zagotavljala hitro razvijajoča se proizvodnja nafte in plina. Jedrska energija je temeljila na razpoložljivih surovinah urana. Nadzorovane termonuklearne fuzije niso dosegli niti s preprostejšo reakcijo devterija s tritijem. Na Zemlji helija-3 ni v industrijskih količinah. V poznih 80-ih - zgodnjih 90-ih. Pojavile so se publikacije o možni uporabi Lune kot vira energije za Zemljo. Predlagani so bili na primer projekti za prenos sončne energije, zbrane na površini Lune, na Zemljo v obliki fokusiranega visokofrekvenčnega žarka. Izražena je bila tudi ideja o rudarjenju in dostavi lunarnega helija-3. Navdušenec te ideje je bil predvsem ameriški astronavt Harold Schmidt, ki je obiskal Luno. Napisal je resno knjigo o možnostih uporabe helija-3.

V pozivu k vrnitvi k raziskovanju Lune sem poleg specifične in nujne naloge raziskovanja

Glede na standarde življenja bo minilo zelo malo časa človeška civilizacija kot fosili naravne vire bo izčrpan. Med možnimi kandidati za zamenjavo nafte in plina so sončna energija, vetrna energija ali vodik. V zadnjih letih je vse pogosteje slišati o novi odrešitvi planeta, imenovani helij-3. Šele pred kratkim so ugotovili, da se ta snov lahko uporablja kot surovina za elektrarne.

Splošne informacije o snovi: lastnosti

Leta 1934 je avstralski fizik Mark Oliphant med delom v laboratoriju Cavendish na Univerzi v Cambridgeu v Angliji prišel do izjemnega odkritja. Med prvo demonstracijo jedrske fuzije z obstreljevanjem devteronske tarče je postavil hipotezo o obstoju novega izotopa kemijskega elementa številka 2. Danes je znan kot helij-3.

Ima naslednje lastnosti:

• Vsebuje dva protona, en nevtron in dva elektrona;
• Med vsemi znanimi elementi je edini stabilni izotop, ki ima več protonov kot nevtronov;
• Zavre pri 3,19 Kelvina (-269,96 stopinj Celzija). Med vrenjem snov izgubi polovico svoje gostote;
• Kotni moment je ½, zaradi česar je fermion;
• Latentna toplota uparjanja je 0,026 KJ/mol;

Pet let po odkritju Marka Oliphanta so njegove teoretične konstrukcije dobile eksperimentalno potrditev. In po 9 letih je znanstvenikom uspelo pridobiti spojino V tekoča oblika . Kot se je izkazalo, ima helij-3 v tem agregatnem stanju superfluidne lastnosti.

Z drugimi besedami, pri temperaturah blizu absolutne ničle lahko prodre skozi kapilare in ozke razpoke, pri čemer praktično ne doživlja nobenega upora zaradi trenja.

Kopanje helija-3 na Luni

Skozi milijarde let je sončni veter odložil velikanske količine helija-3 v površinsko plast regolita. Po ocenah lahko njegova količina na zemeljskem satelitu doseže 10 milijonov ton.

Številne vesoljske sile imajo program za pridobivanje te snovi za kasnejšo termonuklearno fuzijo:

• Januarja 2006 je rusko podjetje Energia objavilo načrte za začetek geoloških del na Luni do leta 2020. Danes je prihodnost projekta v negotovosti zaradi težkega gospodarskega položaja v državi;
• Leta 2008 je Indijska organizacija za vesoljske raziskave na površje zemeljskega satelita poslala sondo, katere cilj je bil preučevanje mineralov, ki vsebujejo helij;
• Tudi Kitajska ima svoje načrte za nahajališča dragocenih surovin. Po načrtih je predvideno, da bodo na satelit poslali tri shuttle letno. Energija, proizvedena iz tega goriva, bo več kot pokrila potrebe celotnega človeštva.

Za zdaj ostajajo sanje, ki jih lahko vidimo le v znanstvenofantastičnih filmih. Med njimi sta "Moon" (2009) in "Iron Sky" (2012).

V tem videoposnetku vam bo fizik Boris Romanov povedal, v kakšni obliki se snov helij-3 nahaja na Luni in ali jo je mogoče uvoziti od tam:

Geokemijski podatki

Izotop je prisoten tudi na planetu Zemlja, vendar v manjših količinah:

• To je glavna sestavina zemeljskega plašča, ki je bila sintetizirana med nastankom planeta. Njegova skupna masa v tem delu planeta je po različnih ocenah od 0,1 do 1 milijona ton;
• Na površje pride kot posledica vulkanske aktivnosti. Tako hribi Havajskih otokov oddajajo približno 300 gramov te snovi na leto. Srednjeoceanski grebeni - približno 3 kilograme;
• Na mestih, kjer se zadene litosferska plošča drugi lahko vsebuje več sto tisoč ton izotopa helija. Izvlecite to bogastvo industrijsko na moderni oder tehnološki razvoj ni mogoče;
• Narava še danes proizvaja to spojino kot rezultat razpada radioaktivnih elementov v skorji in plašču;
• V nekaterih virih zemeljskega plina ga lahko najdemo v precej majhnih količinah (do 0,5 %). Kot ugotavljajo strokovnjaki, se vsako leto med transportom zemeljskega plina izloči 26 m 3 helija-3;
• Prisoten je tudi v zemeljski atmosferi. Njegov specifični delež je približno 7,2 delov na bilijon atomov drugih atmosferskih plinov. Po zadnjih izračunih skupna masa atmosferskega 3 2 dosega najmanj 37 tisoč ton.

Sodobne uporabe snovi

Skoraj vsi uporabljeni v nacionalno gospodarstvo Izotop nastane z radioaktivnim razpadom tritija, ki je v jedrskem reaktorju obstreljen z nevtroni litija-6.

Že desetletja helij-3 je bil le stranski produkt pri izdelavi bojnih glav atomskega orožja. Po podpisu pogodbe START I leta 1991 pa so velesile zmanjšale obseg proizvodnje raket, zato so začeli upadati tudi proizvodni proizvodi.

Danes je proizvodnja izotopa v razcvetu, saj so zanj našli nove načine uporabe:

1. Zaradi razmeroma visokega žiromagnetnega razmerja se delci te snovi uporabljajo v medicinski tomografiji pljuč. Pacient vdihne mešanico plinov, ki vsebuje hiperpolarizirane atome helija-3. Nato pod vplivom infrardečega laserskega sevanja računalnik izriše anatomske in funkcionalne slike organov;
2. IN znanstvenih laboratorijev ta spojina se uporablja za kriogene namene. Z izhlapevanjem s površine hladilnika je mogoče doseči vrednosti blizu 0,2 kelvina;
3. V zadnjih letih postaja vse bolj priljubljena ideja o uporabi snovi kot surovine za elektrarne. Prva taka naprava je bila zgrajena leta 2010 v dolini Tennessee (ZDA).

Helij-3 kot gorivo

Drugi, revidirani pristop k uporabi nadzorovane fuzijske energije vključuje uporabo 3 2 he in devterija kot surovin. Rezultat takšne reakcije bodo ion helija-4 in visokoenergijski protoni.

Teoretično ima ta tehnologija naslednje prednosti:

1. Visoka učinkovitost, ker se za nadzor fuzije ionov uporablja elektrostatično polje. Kinetična energija protonov se neposredno pretvori v električno s pretvorbo v trdnem stanju. Ni treba graditi turbin, ki jih v jedrskih elektrarnah uporabljajo za pretvorbo energije protonov v toploto;
2. Nižji, v primerjavi z drugimi tipi elektrarn, kapitalski in obratovalni stroški;
3. Niti zrak niti voda nista onesnažena;
4. Relativno majhne dimenzije zaradi uporabe sodobnih kompaktnih naprav;
5. Radioaktivnega goriva ni.

Vendar pa kritiki ugotavljajo precejšnjo "grobost" te odločitve. V najboljšem primeru komercialna uporaba termonuklearne fuzije se bo začela šele leta 2050.

Med vsemi izotopi kemičnega elementa z atomsko številko 2 izstopa helij-3. Kaj je, lahko na kratko opišemo z naslednjimi lastnostmi: je stabilen (to pomeni, da se ne spreminja zaradi sevanja), ima superfluidne lastnosti v tekoči obliki in ima relativno majhno maso.

Video o nastanku helija-3 v vesolju

V tem videu vam bo fizik Daniil Potapov povedal, kako je nastal helij-3 v vesolju, kakšno vlogo je imel pri nastanku vesolja: