ฮีเลียมบนดวงจันทร์ ฮีเลียม 3 คือพลังงานแห่งอนาคต ที่ไหน? หรือแขกรับเชิญ

เป็นไปได้ว่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเราจะได้เห็น Lunar Race-2 ผู้ชนะ (หรือผู้ชนะ) จะได้รับแหล่งพลังงานที่ไม่มีวันหมดสิ้น สิ่งนี้จะช่วยให้มนุษยชาติเข้าสู่โครงสร้างทางเทคโนโลยีใหม่เชิงคุณภาพซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่เราเดาได้เท่านั้น

ฮีเลียม-3 คืออะไร?

จาก หลักสูตรของโรงเรียนในฐานะนักฟิสิกส์ เราจำได้ว่ามวลอะตอมของฮีเลียมคือ 4 และองค์ประกอบนี้เป็นก๊าซเฉื่อย มันเป็นปัญหาที่จะใช้มันในสิ่งใด ปฏิกริยาเคมีโดยเฉพาะการปล่อยพลังงาน สสารที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงคือไอโซโทปของฮีเลียมที่มีมวลอะตอม 3 มันสามารถเข้าสู่ปฏิกิริยาแสนสาหัสกับดิวทีเรียม (ไอโซโทปของไฮโดรเจนที่มีมวลอะตอม 2) ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของพลังงานขนาดยักษ์เนื่องจากการสังเคราะห์ฮีเลียมธรรมดา -4 โดยมีการปล่อยโปรตอน (3 He + D → 4 ไม่ใช่ + p + พลังงาน) ในทำนองเดียวกัน จากฮีเลียม-3 เพียง 1 กรัม คุณก็จะได้รับพลังงานเท่ากับการเผาผลาญน้ำมันถึง 15 ตัน

ฮีเลียม-3 หนึ่งตันเพียงพอที่จะปล่อยพลังงานได้ 10 GW ต่อปี ดังนั้น เพื่อให้ครอบคลุมความต้องการพลังงานทั้งหมดของรัสเซียในปัจจุบัน จึงจำเป็นต้องใช้ฮีเลียม-3 จำนวน 20 ตันต่อปี และสำหรับมนุษยชาติทั้งหมด จะต้องใช้ไอโซโทปนี้ประมาณ 200 ตันต่อปี ในเวลาเดียวกันจะไม่จำเป็นต้องเผาน้ำมันและก๊าซซึ่งปริมาณสำรองไม่ จำกัด ตามการประมาณการล่าสุดของปริมาณสำรองไฮโดรคาร์บอนที่พิสูจน์แล้วมนุษยชาติจะมีอายุเพียงครึ่งศตวรรษเท่านั้น ไม่จำเป็นต้องดำเนินการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ค่อนข้างอันตราย ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งหลังจากเชอร์โนบิลและฟูกูชิม่า

ฉันจะหาฮีเลียม-3 ได้ที่ไหน?

ที่ การพัฒนาที่ทันสมัยเทคโนโลยี แหล่งกำเนิดธาตุนี้เพียงแหล่งเดียวที่เข้าถึงได้อย่างแท้จริงคือพื้นผิวของดวงจันทร์ ฮีเลียม-3 นั้นก่อตัวขึ้นภายในดาวฤกษ์ (เช่น ดวงอาทิตย์ของเรา) ซึ่งเป็นผลมาจากการรวมกันของอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอม ในกรณีนี้ ผลิตภัณฑ์หลักของปฏิกิริยานี้คือฮีเลียม-4 ธรรมดา และไอโซโทป-3 จะเกิดขึ้นในปริมาณเล็กน้อย บางส่วนดำเนินการโดยลมสุริยะและกระจายอย่างเท่าเทียมกันทั่วทั้งระบบดาวเคราะห์

ฮีเลียม-3 จะไม่ตกลงสู่พื้นโลกเนื่องจากอะตอมของมันถูกเบี่ยงเบนโดยสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ของเรา แต่บนดาวเคราะห์ที่ไม่มีสนามดังกล่าว ธาตุนั้นจะถูกสะสมไว้ที่ชั้นบนของดินและค่อยๆ สะสม เทห์ฟากฟ้าที่อยู่ใกล้โลกที่สุดที่ไม่มีสนามแม่เหล็กคือดวงจันทร์ ดังนั้นจึงเป็นที่นี่ที่แหล่งสำรองพลังงานอันมีค่าที่มนุษย์มีอยู่นั้นมีความเข้มข้น

สิ่งนี้ได้รับการยืนยันไม่เพียงแต่จากการคำนวณทางทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลการวิจัยเชิงประจักษ์ด้วย พบฮีเลียม-3 ในความเข้มข้นที่ค่อนข้างสูงในตัวอย่างดินบนดวงจันทร์ทั้งหมดที่ส่งมายังโลก โดยเฉลี่ยจะมี 1 กรัมต่อ 100 ตันของรีโกลิธ ของไอโซโทปพลังงานนี้

ดังนั้นเพื่อที่จะสกัดฮีเลียม-3 จำนวน 20 ตันที่กล่าวมาข้างต้นเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานประจำปีของสหพันธรัฐรัสเซียได้อย่างเต็มที่จึงจำเป็นต้อง "ตัก" ดินบนดวงจันทร์จำนวน 2,000 ล้านตัน

ในทางกายภาพ สิ่งนี้สอดคล้องกับพื้นที่บนดวงจันทร์ขนาด 20x20 กม. โดยมีความลึกของเหมืองหิน 3 ม. งานในการจัดการเหมืองขนาดใหญ่ดังกล่าวค่อนข้างซับซ้อน แต่วิศวกรสมัยใหม่ก็ค่อนข้างจะแก้ไขได้ เห็นได้ชัดว่าปัญหาที่ยากและมีราคาแพงกว่าคือการส่งเชื้อเพลิงจำนวนหลายสิบตันสำหรับเตาหลอมฟิวชันมายังโลก

มนุษยชาติขาดอะไรในการปฏิวัติพลังงานฮีเลียม?

สำหรับการพัฒนาเทอร์โมที่เต็มเปี่ยมบนโลก พลังงานนิวเคลียร์จากฮีเลียม-3 ผู้คนจะต้องแก้ไขปัญหาหลักสามประการ

1. การสร้างวิธีการจัดส่งสินค้าที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพในการขนส่งสินค้าตามเส้นทาง Earth-Moon และขากลับ

2. การสร้างฐานดวงจันทร์และเชิงซ้อนเพื่อสกัดฮีเลียม-3 ซึ่งเกี่ยวข้องกับปัญหาทางเทคโนโลยีมากมาย

3. การก่อสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แสนสาหัสบนโลก ซึ่งต้องเอาชนะอุปสรรคทางเทคโนโลยีบางประการด้วย

มนุษยชาติเข้าใกล้การแก้ปัญหาแรกแล้ว ทั้งสี่ประเทศที่เข้าร่วมการแข่งขัน Moon Race 2 plus สหภาพยุโรปได้พัฒนาหรือกำลังพัฒนาจรวดสำหรับงานหนักที่สามารถบรรทุกสินค้าจำนวนมากขึ้นสู่วงโคจรดวงจันทร์ได้ ตัวอย่างเช่น ภายในปี 2570 รัสเซียวางแผนที่จะติดตั้งยานยิง Angara-A5V ในฮาร์ดแวร์ ซึ่งจะสามารถส่งมอบน้ำหนักบรรทุกอย่างน้อย 10 ตันไปยังดวงจันทร์ การขนส่งไปกลับจะง่ายกว่าเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์น้อยกว่าโลกถึง 6 เท่า แต่เชื้อเพลิงจะเป็นปัญหาที่นี่ มันจะต้องนำเข้าจากโลกหรือผลิตบนพื้นผิวดาวเทียมของเรา

ภารกิจที่สองนั้นจริงจังกว่ามาก เนื่องจากนอกเหนือจากการจัดการสกัดฮีเลียม-3 จากรีโกลิธจริงแล้ว วิศวกรจะต้องสร้างฐานดวงจันทร์ที่เชื่อถือได้พร้อมระบบช่วยชีวิตสำหรับนักขุดในอนาคต เทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นจากการดำเนินงานของสถานีโคจรเป็นเวลาหลายปี โดยเฉพาะ ISS และ Mir จะช่วยได้อย่างมากในเรื่องนี้ ทั้งในรัสเซียและในประเทศอื่น ๆ ในปัจจุบันฐานดวงจันทร์ได้รับการออกแบบอย่างแข็งขันและบางทีประเทศของเราในปัจจุบันอาจมีเทคโนโลยีสูงสุดสำหรับการดำเนินโครงการดังกล่าวอย่างแท้จริง

สำหรับปัญหาที่สาม งานเกี่ยวกับการสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสเกิดขึ้นบนโลกในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา ปัญหาทางเทคโนโลยีหลักที่นี่คือปัญหาในการรักษาพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูง (จำเป็นสำหรับ "การจุดระเบิด" ฟิวชั่นแสนสาหัส) ในสิ่งที่เรียกว่า "กับดักแม่เหล็ก"

ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขแล้วสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ที่ทำงานบนหลักการรวมดิวทีเรียมและไอโซโทป (D + T = 4 He + n + พลังงาน) เพื่อรักษาปฏิกิริยาดังกล่าว อุณหภูมิ 100 ล้านองศาก็เพียงพอแล้ว

อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวจะไม่แพร่หลายอีกต่อไป เนื่องจากมีกัมมันตรังสีสูงมาก ในการเริ่มปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับฮีเลียม-3 และดิวทีเรียม จะต้องมีอุณหภูมิ 300-700 ล้านองศา จนถึงขณะนี้พลาสมาดังกล่าวไม่สามารถเก็บไว้ในกับดักแม่เหล็กได้เป็นเวลานาน แต่บางทีความก้าวหน้าในพื้นที่นี้อาจถูกนำโดยการเปิดตัวเครื่องปฏิกรณ์ทดลองเทอร์โมนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ (ITER) ซึ่งปัจจุบันถูกสร้างขึ้นในฝรั่งเศสและจะถูกวาง เริ่มดำเนินการภายในปี 2568

ดังนั้นทศวรรษระหว่างปี 2030-2040 มีโอกาสที่จะเป็นจุดเริ่มต้นในการพัฒนาพลังงานที่ใช้ฮีเลียม-3 ทุกครั้งเนื่องจากในเวลานี้เห็นได้ชัดว่าอุปสรรคทางเทคโนโลยีที่ระบุไว้ข้างต้นจะได้รับการแก้ไข ดังนั้นจึงยังคงต้องหาเงินสำหรับการดำเนินโครงการพลังงานที่สามารถขับเคลื่อนมนุษยชาติเข้าสู่ยุคพลังงานราคาถูกมาก (เกือบฟรี) พร้อมผลที่ตามมาทั้งหมดทั้งต่อเศรษฐกิจและคุณภาพชีวิตของแต่ละคน

องค์ประกอบและโครงสร้าง

คุณสมบัติทางกายภาพ

การใช้งาน

เคาน์เตอร์นิวตรอน

เครื่องวัดก๊าซที่เติมฮีเลียม-3 ใช้เพื่อตรวจจับนิวตรอน นี่เป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการวัดฟลักซ์นิวตรอน มีปฏิกิริยาในตัวพวกเขา

n+ 3 เขา → 3 H + 1 H + 0.764 MeV

ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่มีประจุ - ไทรทันและโปรตอน - จะถูกบันทึกโดยตัวนับก๊าซที่ทำงานในโหมดของตัวนับสัดส่วนหรือตัวนับไกเกอร์-มุลเลอร์

รับอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ

โดยการละลายฮีเลียม-3 เหลวในฮีเลียม-4 จะได้อุณหภูมิถึงมิลลิเคลวิน

ยา

เมื่อเร็วๆ นี้ โพลาไรซ์ฮีเลียม-3 (สามารถเก็บไว้ได้นาน) ได้เริ่มนำมาใช้ในการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กเพื่อถ่ายภาพปอดโดยใช้คลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์

ราคา

ราคาเฉลี่ยของฮีเลียม-3 ในปี 2552 อยู่ที่ 930 ดอลลาร์ต่อลิตร

ฮีเลียม-3 เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

ปฏิกิริยา 3 He + D → 4 He + p มีข้อดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ทริเทียม T + D → 4 He + n ซึ่งทำได้มากที่สุดภายใต้สภาวะภาคพื้นดิน สิทธิประโยชน์เหล่านี้ได้แก่:

ข้อเสียของปฏิกิริยาฮีเลียม-ดิวทีเรียมรวมถึงเกณฑ์อุณหภูมิที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ จะต้องไปถึงอุณหภูมิประมาณหนึ่งพันล้านองศาก่อนจึงจะสามารถเริ่มต้นได้

ปัจจุบันฮีเลียม-3 ไม่ได้สกัดจากแหล่งธรรมชาติ แต่ถูกสร้างขึ้นจากการสลายไอโซโทปเทียม อย่างหลังผลิตขึ้นสำหรับอาวุธแสนสาหัสโดยการฉายรังสีโบรอน-10 และลิเธียม-6 ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

แผนขุดฮีเลียม-3 บนดวงจันทร์

ฮีเลียม-3 เป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์ บนโลกมีการขุดในปริมาณที่น้อยมากซึ่งคิดเป็นหลายสิบกรัมต่อปี

ไม่เสถียร (น้อยกว่าหนึ่งวัน): 5 He: ฮีเลียม-5, 6 He: ฮีเลียม-6, 7 He: ฮีเลียม-7, 8 He: ฮีเลียม-8, 9 He: ฮีเลียม-9, 10 He: ฮีเลียม-10

มูลนิธิวิกิมีเดีย 2010.

พจนานุกรมสารานุกรมวิทยาศาสตร์และเทคนิค

ฉันสามี , เก่า Eliy, I. รายงาน: Gelievich, Gelievna อนุพันธ์: Gelya (Gela); Elya.แหล่งกำเนิดสินค้า: (จากภาษากรีก hēlios sun.)วันที่ตั้งชื่อ: 27 กรกฎาคม พจนานุกรมชื่อบุคคล ฮีเลียม ดู เอลเลียม เดย์แองเจิ้ล. อ้างอิง... พจนานุกรมชื่อบุคคล

ฮีเลียม- เคมี ธาตุ สัญลักษณ์ เขา (ละติน ฮีเลียม) ณ. n. 2, ณ. ม. 4.002 หมายถึงก๊าซเฉื่อย (มีตระกูล) ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ความหนาแน่น 0.178 กก./ลบ.ม. ภายใต้สภาวะปกติ ก๊าซคือก๊าซที่มีอะตอมเดี่ยว อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนสองตัว ถูกสร้างขึ้น... สารานุกรมโพลีเทคนิคขนาดใหญ่

- (ฮีเลียม), He, องค์ประกอบทางเคมีของกลุ่ม VIII ตารางธาตุ, เลขอะตอม 2, มวลอะตอม 4.002602; เป็นของก๊าซมีตระกูล สารที่มีจุดเดือดต่ำสุด (bp 268.93°C) สารเดียวที่ไม่แข็งตัวที่ความดันปกติ ;... ... สารานุกรมสมัยใหม่ - ฮีเลียม ฉัน สามี องค์ประกอบทางเคมีเป็นก๊าซเฉื่อย ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น เป็นก๊าซที่เบาที่สุดรองจากไฮโดรเจน - คำคุณศัพท์ ฮีเลียม โอ้ โอ้ พจนานุกรมโอเจโกวา เอสไอ Ozhegov, N.Y. ชเวโดวา พ.ศ. 2492 พ.ศ. 2535 … พจนานุกรมอธิบายของ Ozhegov

- ก๊าซ (ฮีเลียม) ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่ใช้งานทางเคมี เบากว่าอากาศ 7.2 เท่า ไม่ไหม้ พบได้ในปริมาณน้อยมากในชั้นบรรยากาศ (1/2000%) เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและไม่ติดไฟจึงใช้สำหรับการเติมเรือบินเป็นหลัก ... พจนานุกรมทางทะเล

ไอโซโทปนี้มีแผนที่จะขุดบนดวงจันทร์เพื่อรองรับความต้องการพลังงานแสนสาหัส อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเรื่องของอนาคตอันไกลโพ้น อย่างไรก็ตาม ฮีเลียม-3 ยังเป็นที่ต้องการอย่างมากในปัจจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการแพทย์

วลาดิเมียร์ เทสเลนโก

ปริมาณฮีเลียม-3 ทั้งหมดในชั้นบรรยากาศโลกอยู่ที่ประมาณ 35,000 ตันเท่านั้น ที่ปล่อยออกมาจากเนื้อโลกสู่ชั้นบรรยากาศ (ผ่านภูเขาไฟและรอยเลื่อนในเปลือกโลก) มีจำนวนหลายกิโลกรัมต่อปี ในการปรับปรุงดวงจันทร์ ฮีเลียม-3 ค่อยๆสะสมผ่านการฉายรังสีโดยลมสุริยะเป็นเวลาหลายร้อยล้านปี เป็นผลให้ดินบนดวงจันทร์หนึ่งตันประกอบด้วยฮีเลียม-3 0.01 กรัมและฮีเลียม-4 28 กรัม อัตราส่วนไอโซโทปนี้ (~0.04%) สูงกว่าในชั้นบรรยากาศของโลกอย่างมีนัยสำคัญ

แผนการอันทะเยอทะยานสำหรับการผลิตฮีเลียม-3 บนดวงจันทร์ซึ่งได้รับการพิจารณาอย่างจริงจังไม่เพียง แต่โดยผู้นำอวกาศ (รัสเซียและสหรัฐอเมริกา) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงผู้มาใหม่ (จีนและอินเดีย) ด้วย มีความเกี่ยวข้องกับความหวังที่ภาคพลังงานกำหนดไว้ ไอโซโทป. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ 3He+D→4He+p มีข้อดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ทริเทียม T+D→4He+n ซึ่งทำได้มากที่สุดภายใต้สภาวะภาคพื้นดิน

ข้อดีเหล่านี้รวมถึงฟลักซ์นิวตรอนที่ต่ำกว่าสิบเท่าจากโซนปฏิกิริยา ซึ่งช่วยลดกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นและการย่อยสลายของวัสดุโครงสร้างเครื่องปฏิกรณ์ได้อย่างมาก นอกจากนี้ หนึ่งในผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา - โปรตอน - ซึ่งแตกต่างจากนิวตรอน จะถูกจับได้ง่ายและสามารถนำมาใช้ในการผลิตไฟฟ้าเพิ่มเติมได้ ในเวลาเดียวกันทั้งฮีเลียม-3 และดิวเทอเรียมจะไม่ทำงาน การจัดเก็บของพวกมันไม่ต้องการความระมัดระวังเป็นพิเศษ และในกรณีที่เครื่องปฏิกรณ์เกิดอุบัติเหตุโดยมีแรงดันแกนกลางลดลง กัมมันตภาพรังสีของการปล่อยจะใกล้เคียงกับศูนย์ ปฏิกิริยาฮีเลียม-ดิวเทอเรียมก็มีข้อเสียเปรียบเช่นกัน - เกณฑ์อุณหภูมิที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (ต้องใช้อุณหภูมิประมาณหนึ่งพันล้านองศาในการเริ่มปฏิกิริยา)

แม้ว่าทั้งหมดนี้จะเป็นเรื่องของอนาคต แต่ฮีเลียม-3 ยังคงเป็นที่ต้องการอย่างมากในปัจจุบัน จริงอยู่ไม่ใช่เพื่อพลังงาน แต่เพื่อ ฟิสิกส์นิวเคลียร์, อุตสาหกรรมแช่แข็งและยารักษาโรค

การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก

นับตั้งแต่ปรากฏในทางการแพทย์ การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) ได้กลายเป็นหนึ่งในวิธีการวินิจฉัยหลักที่ช่วยให้เราสามารถมอง "ภายใน" อวัยวะต่างๆ โดยไม่มีอันตรายใด ๆ

มวลประมาณ 70% ร่างกายมนุษย์ตกลงไปที่ไฮโดรเจนซึ่งเป็นนิวเคลียสของโปรตอนซึ่งมีการหมุนรอบตัวเองและมีโมเมนต์แม่เหล็กที่เกี่ยวข้อง หากคุณวางโปรตอนไว้ในสนามแม่เหล็กคงที่ภายนอก การหมุนและ ช่วงเวลาแม่เหล็กจะถูกวางตัวไปตามสนามหรือไปทางนั้น และพลังงานโปรตอนในกรณีแรกจะน้อยกว่าในกรณีที่สอง โปรตอนสามารถถ่ายโอนจากสถานะที่หนึ่งไปยังสถานะที่สองได้โดยการถ่ายโอนพลังงานที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดซึ่งเท่ากับความแตกต่างระหว่างสิ่งเหล่านี้ ระดับพลังงาน, - ตัวอย่างเช่น โดยการฉายรังสีด้วยควอนตัม สนามแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถี่ที่แน่นอน

วิธีดึงดูดฮีเลียม-3

วิธีที่ง่ายและตรงที่สุดในการดึงดูดฮีเลียม-3 คือการทำให้ฮีเลียม-3 เย็นลงในสนามแม่เหล็กแรงสูง อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีประสิทธิภาพต่ำมากและต้องใช้สนามแม่เหล็กแรงสูงด้วย อุณหภูมิต่ำ- ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงใช้วิธีการปั๊มแบบออปติคัล - ถ่ายโอนสปินไปยังอะตอมฮีเลียมจากโฟตอนปั๊มโพลาไรซ์ ในกรณีของฮีเลียม-3 สิ่งนี้เกิดขึ้นในสองขั้นตอน: การปั๊มด้วยแสงในสถานะที่แพร่กระจายได้และการแลกเปลี่ยนการหมุนระหว่างอะตอมของฮีเลียมในพื้นดินและสถานะที่แพร่กระจายได้ ในทางเทคนิค สิ่งนี้เกิดขึ้นได้โดยการฉายรังสีเซลล์ที่มีฮีเลียม-3 ด้วยการแผ่รังสีเลเซอร์ที่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลม จากนั้นถ่ายโอนไปยังสถานะที่แพร่กระจายได้โดยการคายประจุไฟฟ้าความถี่สูงที่อ่อนแอ ต่อหน้าสนามแม่เหล็กที่อ่อนแอ โพลาไรซ์ฮีเลียมสามารถเก็บไว้ในภาชนะที่บุด้วยซีเซียมที่ความดัน 10 บรรยากาศเป็นเวลาประมาณ 100 ชั่วโมง

นี่เป็นวิธีการทำงานของเครื่องสแกน MRI แต่ตรวจไม่พบโปรตอนแต่ละตัว หากวางตัวอย่างที่มี จำนวนมากโปรตอนเข้าไปในสนามแม่เหล็กอันทรงพลัง จากนั้นจำนวนโปรตอนที่มีโมเมนต์แม่เหล็กพุ่งไปตามและเข้าหาสนามจะเท่ากันโดยประมาณ หากคุณเริ่มฉายรังสีตัวอย่างนี้ด้วยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในความถี่ที่กำหนดอย่างเคร่งครัด โปรตอนทั้งหมดที่มีโมเมนต์แม่เหล็ก (และหมุนรอบ) “ไปตามสนามแม่เหล็ก” จะพลิกกลับ และเข้าสู่ตำแหน่ง “ไปทางสนาม” ในกรณีนี้การดูดกลืนพลังงานด้วยเรโซแนนซ์เกิดขึ้น และในระหว่างกระบวนการกลับสู่สถานะเดิมเรียกว่าการผ่อนคลาย การปล่อยพลังงานที่ได้รับจะเกิดขึ้นอีกครั้งซึ่งสามารถตรวจจับได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ NMR โพลาไรเซชันเฉลี่ยของสารซึ่งขึ้นอยู่กับสัญญาณที่เป็นประโยชน์ใน NMR นั้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแรงของสนามแม่เหล็กภายนอก ในการรับสัญญาณที่สามารถตรวจจับและแยกออกจากสัญญาณรบกวนได้ จำเป็นต้องใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด - มีเพียงแม่เหล็กเท่านั้นที่สามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่มีการเหนี่ยวนำประมาณ 1-3 เทสลา

ก๊าซแม่เหล็ก

เครื่องสแกน MRI “มองเห็น” การสะสมของโปรตอน ดังนั้นจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาและวินิจฉัยเนื้อเยื่ออ่อนและอวัยวะที่มีไฮโดรเจนจำนวนมาก (ส่วนใหญ่อยู่ในรูปของน้ำ) และยังทำให้สามารถแยกแยะคุณสมบัติทางแม่เหล็กของโมเลกุลได้อีกด้วย ด้วยวิธีนี้คุณสามารถพูดแยกแยะเลือดแดงที่มีฮีโมโกลบิน (พาหะหลักของออกซิเจนในเลือด) จากเลือดดำที่มีพาราแมกเนติกดีออกซีฮีโมโกลบิน - นี่คือสิ่งที่ fMRI (MRI เชิงหน้าที่) ใช้เป็นหลักซึ่งช่วยให้คุณตรวจสอบกิจกรรมได้ ของเซลล์ประสาทในสมอง

แต่อนิจจาเทคนิคที่ยอดเยี่ยมเช่น MRI นั้นไม่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาปอดที่เต็มไปด้วยอากาศ (แม้ว่าคุณจะเติมไฮโดรเจนเข้าไปก็ตาม แต่สัญญาณจากตัวกลางที่เป็นก๊าซที่มีความหนาแน่นต่ำก็จะอ่อนแอเกินไปเมื่อเทียบกับเสียงรบกวนจากพื้นหลัง) และเนื้อเยื่ออ่อนของปอดด้วย MRI จะมองเห็นได้ไม่มากนัก เนื่องจากมี "รูพรุน" และมีไฮโดรเจนอยู่เล็กน้อย

เป็นไปได้ไหมที่จะข้ามข้อจำกัดนี้? เป็นไปได้หากคุณใช้ก๊าซ "แม่เหล็ก" - ในกรณีนี้ โพลาไรเซชันเฉลี่ยจะไม่ถูกกำหนดโดยสนามภายนอก เนื่องจากโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมด (หรือเกือบทั้งหมด) จะถูกวางในทิศทางเดียวกัน และนี่ไม่ใช่นิยายวิทยาศาสตร์เลย: ในปี 1966 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Alfred Kastler ได้รับ รางวัลโนเบลโดยมีข้อความว่า “เพื่อการค้นพบและพัฒนาวิธีการทางแสงเพื่อศึกษาการสั่นพ้องของเฮิรตซ์ในอะตอม” เขาทำงานในประเด็นเกี่ยวกับโพลาไรเซชันเชิงแสงของระบบหมุน นั่นคือ "การทำให้เป็นแม่เหล็ก" ของก๊าซ (โดยเฉพาะฮีเลียม-3) อย่างแม่นยำ โดยใช้การปั๊มแบบออปติคัลในระหว่างการดูดซับเรโซแนนซ์ของโฟตอนที่โพลาไรซ์แบบวงกลม

นิวเคลียร์ เสียงสะท้อนแม่เหล็กใช้คุณสมบัติทางแม่เหล็กของไฮโดรเจนนิวเคลียส-โปรตอน หากไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนจะถูกวางทิศทางแบบสุ่ม (ดังในภาพแรก) เมื่อใช้สนามแม่เหล็กกำลังสูง โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนจะวางตัวขนานกับสนาม - ไม่ว่าจะ "ตาม" หรือ "ไปทาง" สองตำแหน่งนี้มีพลังงานต่างกัน (2) พัลส์ความถี่วิทยุที่มีความถี่เรโซแนนซ์ซึ่งสอดคล้องกับความแตกต่างของพลังงาน "เปลี่ยน" โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอน "ไปทาง" สนาม (3) หลังจากสิ้นสุดพัลส์ความถี่วิทยุ จะเกิด "การพลิก" แบบย้อนกลับ และโปรตอนจะถูกปล่อยออกมาที่ ความถี่เรโซแนนซ์- ระบบความถี่วิทยุของเอกซเรย์รับสัญญาณนี้รับสัญญาณนี้ และใช้โดยคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างภาพ (4)

หายใจลึกๆ

การใช้ก๊าซโพลาไรซ์ในการแพทย์ริเริ่มโดยกลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันและมหาวิทยาลัยนิวยอร์กที่สโตนี บรูค ในปี 1994 นักวิทยาศาสตร์ตีพิมพ์บทความในวารสาร Nature ซึ่งแสดงภาพ MRI แรกของปอดของหนู

จริงอยู่ที่ MRI ไม่ได้มาตรฐานทั้งหมด เทคนิคนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับการตอบสนองของนิวเคลียสของไฮโดรเจน (โปรตอน) ไม่ใช่ของนิวเคลียสของซีนอน-129 นอกจากนี้ก๊าซไม่ได้ค่อนข้างธรรมดา แต่มีโพลาไรซ์มากเกินไปนั่นคือ "ถูกแม่เหล็ก" ล่วงหน้า จึงบังเกิด วิธีการใหม่การวินิจฉัยซึ่งในไม่ช้าก็เริ่มนำมาใช้ในการแพทย์ของมนุษย์

ก๊าซโพลาไรซ์โพลาไรซ์ (โดยปกติจะผสมกับออกซิเจน) จะไปถึงส่วนลึกที่สุดของปอด ซึ่งทำให้ได้ภาพ MRI ที่มีความละเอียดสูงกว่าภาพเอ็กซ์เรย์ที่ดีที่สุด คุณสามารถสร้างแผนที่โดยละเอียดของความดันบางส่วนของออกซิเจนในแต่ละส่วนของปอด จากนั้นจึงสรุปผลเกี่ยวกับคุณภาพของการไหลเวียนของเลือดและการแพร่กระจายของออกซิเจนในเส้นเลือดฝอย เทคนิคนี้ทำให้สามารถศึกษาธรรมชาติของการช่วยหายใจในปอดในผู้ป่วยโรคหอบหืดและติดตามกระบวนการหายใจของผู้ป่วยวิกฤตที่ระดับถุงลม

MRI ทำงานอย่างไร? เครื่องสแกน MRI ตรวจจับกลุ่มโปรตอน ซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน ดังนั้น การถ่ายภาพด้วย MR จึงแสดงความแตกต่างในปริมาณไฮโดรเจน (ส่วนใหญ่เป็นน้ำ) ในเนื้อเยื่อต่างๆ มีวิธีอื่นในการแยกแยะเนื้อเยื่อหนึ่งจากอีกเนื้อเยื่อหนึ่ง (เช่น ความแตกต่างใน คุณสมบัติทางแม่เหล็ก) ซึ่งใช้ในการวิจัยเฉพาะทาง

ข้อดีของ MRI ที่ใช้ก๊าซไฮเปอร์โพลาไรซ์ไม่ได้หยุดอยู่แค่นั้น เนื่องจากก๊าซมีโพลาไรซ์มากเกินไป ระดับของสัญญาณที่เป็นประโยชน์จึงสูงขึ้นมาก (ประมาณ 10,000 เท่า) ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องมีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ สนามแม่เหล็กและนำไปสู่การออกแบบเครื่องสแกน MRI สนามต่ำที่เรียกว่า ราคาถูกกว่า พกพาสะดวกกว่า และกว้างขวางกว่ามาก การติดตั้งดังกล่าวใช้แม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็กขนาด 0.005 เทสลา ซึ่งอ่อนกว่าเครื่องสแกน MRI ทั่วไปหลายร้อยเท่า

อุปสรรคเล็กๆ

แม้ว่าการทดลองครั้งแรกในสาขานี้จะดำเนินการกับซีนอน-129 แบบไฮเปอร์โพลาไรซ์ แต่ในไม่ช้า มันก็ถูกแทนที่ด้วยฮีเลียม-3 ไม่เป็นอันตราย ให้ภาพที่คมชัดกว่าซีนอน-129 และมีโมเมนต์แม่เหล็กเป็นสามเท่า ซึ่งส่งผลให้สัญญาณ NMR แรงกว่า นอกจากนี้ การเสริมสมรรถนะของซีนอน-129 เนื่องจากมวลอยู่ใกล้ไอโซโทปซีนอนอื่นๆ จึงเป็นกระบวนการที่มีราคาแพง และโพลาไรเซชันของก๊าซที่สามารถทำได้นั้นต่ำกว่าของฮีเลียม-3 อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ซีนอน-129 ยังมีฤทธิ์กดประสาท

แต่หากการตรวจเอกซเรย์สนามต่ำทำได้ง่ายและราคาถูก เหตุใดจึงไม่ใช้วิธี MRI ฮีเลียมโพลาไรซ์โพลาไรซ์ในทุกคลินิกในปัจจุบัน มีอุปสรรคประการหนึ่ง แต่อะไร!

มรดกแห่งสงครามเย็น

วิธีเดียวที่จะผลิตฮีเลียม-3 คือการสลายตัวของไอโซโทป อุปทาน 3He ส่วนใหญ่มาจากการสลายตัวของไอโซโทปที่เกิดขึ้นระหว่างการแข่งขันด้านอาวุธนิวเคลียร์ในระหว่างนั้น สงครามเย็น- ในสหรัฐอเมริกา ภายในปี 2546 มีการสะสมฮีเลียม-3 "ดิบ" (ไม่บริสุทธิ์) ประมาณ 260,000 ลิตร และภายในปี 2553 ยังคงมีก๊าซที่ไม่ได้ใช้เพียง 12,000 ลิตร เนื่องจากความต้องการก๊าซที่หายากนี้เพิ่มมากขึ้น การผลิตไอโซโทปไอโซโทปในปริมาณที่จำกัดจึงได้รับการฟื้นฟูในปี 2550 และจนถึงปี 2558 มีการวางแผนที่จะผลิตฮีเลียม-3 เพิ่มเติมอีก 8,000 ลิตรต่อปี ยิ่งไปกว่านั้นความต้องการต่อปีมีอย่างน้อย 40,000 ลิตร (ซึ่งมีเพียง 5% ที่ใช้ในการแพทย์) ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2553 คณะกรรมการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของสหรัฐอเมริกาได้สรุปว่าการขาดแคลนฮีเลียม-3 จะทำให้เกิดผลเสียที่แท้จริงในหลายด้าน แม้แต่นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ของสหรัฐฯ ก็ประสบปัญหาในการรับฮีเลียม-3 จากทุนสำรองของรัฐบาล

ระบายความร้อนด้วยการผสม

อุตสาหกรรมอื่นที่ไม่สามารถทำได้หากไม่มีฮีเลียม-3 ก็คืออุตสาหกรรมการแช่แข็ง เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่ต่ำเป็นพิเศษจึงเรียกว่า ตู้เย็นละลายที่ใช้ผลของฮีเลียม-3 ละลายเป็นฮีเลียม-4 ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0.87 K ส่วนผสมจะแยกออกเป็นสองเฟส - มีฮีเลียม-3 และฮีเลียม-4 เข้มข้น การเปลี่ยนระหว่างเฟสเหล่านี้ต้องใช้พลังงาน และทำให้สามารถเย็นตัวลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำมากได้ถึง 0.02 K อุปกรณ์ดังกล่าวที่ง่ายที่สุดมีฮีเลียม-3 เพียงพอ ซึ่งจะค่อยๆ เคลื่อนผ่านส่วนต่อประสานไปสู่เฟสที่อุดมไปด้วยฮีเลียม -4 กับการดูดซับพลังงาน . เมื่อการจ่ายฮีเลียม-3 หมด อุปกรณ์จะไม่สามารถทำงานต่อไปได้ - เป็นแบบ "ใช้แล้วทิ้ง"
โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีการทำความเย็นนี้ถูกนำมาใช้ในหอดูดาวพลังค์ในวงโคจรขององค์การอวกาศยุโรป งานพลังค์รวมถึงการบันทึกแอนไอโซโทรปีของการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก (ที่มีอุณหภูมิประมาณ 2.7 เคลวิน) ด้วย ความละเอียดสูงใช้เครื่องตรวจจับโบโลเมตริก HFI (เครื่องมือความถี่สูง) 48 เครื่อง เย็นลงถึง 0.1 K ก่อนที่การจ่ายฮีเลียม-3 ในระบบทำความเย็นจะหมดลง พลังค์สามารถถ่ายภาพท้องฟ้าในช่วงไมโครเวฟได้ 5 ภาพ

ราคาประมูลฮีเลียม-3 ผันผวนประมาณ 2,000 ดอลลาร์ต่อลิตร และไม่พบแนวโน้มขาลง การขาดแคลนก๊าซนี้เกิดจากการที่ฮีเลียม-3 จำนวนมากถูกใช้เพื่อสร้างเครื่องตรวจจับนิวตรอนซึ่งใช้ในอุปกรณ์สำหรับตรวจจับวัสดุนิวเคลียร์ เครื่องตรวจจับดังกล่าวลงทะเบียนนิวตรอนโดยปฏิกิริยา (n, p) - การจับนิวตรอนและการปล่อยโปรตอน และในการตรวจจับความพยายามนำเข้าวัสดุนิวเคลียร์ จำเป็นต้องใช้เครื่องตรวจจับจำนวนมาก - หลายแสนชิ้น ด้วยเหตุนี้เองที่ฮีเลียม-3 จึงมีราคาแพงอย่างน่าอัศจรรย์และไม่สามารถเข้าถึงยารักษาโรคได้

อย่างไรก็ตามยังมีความหวัง จริงอยู่ พวกมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับฮีเลียม-3 บนดวงจันทร์ (การสกัดของมันยังคงเป็นไปได้ยาก) แต่ขึ้นอยู่กับไอโซโทปที่ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักหนักประเภท CANDU ซึ่งดำเนินการในแคนาดา อาร์เจนตินา โรมาเนีย จีน และเกาหลีใต้

ฮีเลียม-สาม วลีที่แปลกและไม่สามารถเข้าใจได้ อย่างไรก็ตาม ยิ่งเราไปไกลเท่าไร เราก็ยิ่งได้ยินมากขึ้นเท่านั้น เพราะตามที่ผู้เชี่ยวชาญระบุ ฮีเลียมสามชนิดที่จะช่วยโลกของเราจากวิกฤตพลังงานที่กำลังจะเกิดขึ้น และในองค์กรนี้มีการมอบหมายบทบาทที่แข็งขันที่สุดให้กับรัสเซีย

ดวงจันทร์

พลังงานความร้อนนิวเคลียร์ที่มีแนวโน้มจะใช้ปฏิกิริยาฟิวชันดิวทีเรียม-ทริเทียมเป็นพื้นฐาน แม้ว่าจะปลอดภัยกว่าพลังงานนิวเคลียร์ฟิชชันซึ่งใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์สมัยใหม่ แต่ก็ยังมีข้อเสียที่สำคัญหลายประการ

• ประการแรกปฏิกิริยานี้จะปล่อยนิวตรอนพลังงานสูงจำนวนมากขึ้น (ตามลำดับความสำคัญ!) ไม่มีวัสดุใดที่ทราบสามารถทนต่อฟลักซ์นิวตรอนที่รุนแรงเช่นนี้ได้นานกว่าหกปี - แม้ว่าจะสมเหตุสมผลที่จะสร้างเครื่องปฏิกรณ์ที่มีทรัพยากรอย่างน้อย 30 ปีก็ตาม ด้วยเหตุนี้ จะต้องเปลี่ยนผนังแรกของเครื่องปฏิกรณ์ไอโซโทปฟิวชัน - และนี่เป็นขั้นตอนที่ซับซ้อนและมีราคาแพงมาก ซึ่งรวมถึงการปิดเครื่องปฏิกรณ์เป็นระยะเวลาค่อนข้างนานด้วย
• ประการที่สองจำเป็นต้องป้องกันระบบแม่เหล็กของเครื่องปฏิกรณ์จากรังสีนิวตรอนที่ทรงพลังซึ่งทำให้ซับซ้อนและทำให้ต้นทุนของการออกแบบเพิ่มขึ้น
• ที่สามองค์ประกอบโครงสร้างจำนวนมากของเครื่องปฏิกรณ์ไอโซโทปหลังจากสิ้นสุดการทำงานจะมีความกระตือรือร้นสูงและจะต้องฝังไว้ในระยะยาวในสิ่งอำนวยความสะดวกในการจัดเก็บที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษเพื่อจุดประสงค์นี้

ในกรณีของการใช้ดิวเทอเรียมกับไอโซโทปฮีเลียม-3 แทนไอโซโทปในเครื่องปฏิกรณ์แสนสาหัส ปัญหาส่วนใหญ่สามารถแก้ไขได้ ความเข้มของฟลักซ์นิวตรอนลดลง 30 เท่า ดังนั้นจึงสามารถรับประกันอายุการใช้งาน 30-40 ปีได้อย่างง่ายดาย หลังจากสิ้นสุดการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ฮีเลียม จะไม่มีของเสียระดับสูงเกิดขึ้น และกัมมันตภาพรังสีขององค์ประกอบโครงสร้างจะต่ำมากจนสามารถฝังลงในหลุมฝังกลบในเมืองโดยโรยด้วยดินเบา ๆ

มีปัญหาอะไร? เหตุใดเราจึงยังไม่ใช้เชื้อเพลิงแสนสาหัสที่เป็นประโยชน์เช่นนี้

ประการแรก เนื่องจากไอโซโทปนี้หายากมากบนโลกของเรา มันเกิดในดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นสาเหตุที่บางครั้งเรียกว่า "ไอโซโทปแสงอาทิตย์" ของเขา น้ำหนักรวมมีมากกว่าน้ำหนักของโลกของเรา ฮีเลียม-3 ถูกลมสุริยะพัดพาไปยังอวกาศโดยรอบ สนามแม่เหล็กของโลกเบี่ยงเบนส่วนสำคัญของลม ดังนั้นฮีเลียม-3 จึงประกอบขึ้นเป็นเพียงหนึ่งล้านล้านของชั้นบรรยากาศของโลก - ประมาณ 4,000 ตัน บนโลกเองก็มีน้ำหนักน้อยกว่า - ประมาณ 500 กิโลกรัม

ไอโซโทปนี้ยังมีอีกมากบนดวงจันทร์ ที่นั่นฝังอยู่ในดินดวงจันทร์ "เรโกลิ ธ" ซึ่งมีองค์ประกอบคล้ายตะกรันธรรมดา มันเป็นเรื่องของใหญ่โตมาก - ทุนสำรองที่แทบจะไม่มีวันหมด!

การวิเคราะห์ตัวอย่างดิน 6 ตัวอย่างที่คณะสำรวจอพอลโลนำมา และอีก 2 ตัวอย่างที่โซเวียตส่งมา สถานีอัตโนมัติ « ดวงจันทร์“ แสดงให้เห็นว่า regolith ที่ครอบคลุมทะเลและที่ราบสูงของดวงจันทร์มีฮีเลียม -3 มากถึง 106 ตันซึ่งจะสนองความต้องการพลังงานของโลกซึ่งเพิ่มขึ้นหลายครั้งเมื่อเทียบกับพลังงานสมัยใหม่เป็นเวลาหนึ่งสหัสวรรษ! ตามการประมาณการสมัยใหม่ ปริมาณสำรองของฮีเลียม-3 บนดวงจันทร์นั้นมีขนาดใหญ่กว่าสามลำดับความสำคัญ - 109 ตัน

นอกจากดวงจันทร์แล้ว ฮีเลียม-3 ยังสามารถพบได้ในชั้นบรรยากาศหนาแน่นของดาวเคราะห์ยักษ์ และตามการประมาณการทางทฤษฎี ปริมาณสำรองของมันบนดาวพฤหัสบดีเพียงลำพังมีจำนวน 1,020 ตัน ซึ่งจะเพียงพอที่จะจ่ายพลังงานให้กับโลกจนถึง หมดเวลา.

โครงการขุดแร่ฮีเลียม-3

Regolith ปกคลุมดวงจันทร์ด้วยชั้นหนาหลายเมตร ตะกอนฝุ่นหิน ทะเลจันทรคติมีฮีเลียมมากกว่าที่ราบสูงรีโกลิธ ฮีเลียม-3 1 กิโลกรัมบรรจุอยู่ในรีโกลิธประมาณ 100,000 ตัน

ดังนั้นเพื่อที่จะสกัดไอโซโทปอันมีค่าออกมาจึงจำเป็นต้องแปรรูปดินบนดวงจันทร์ที่ร่วนจำนวนมหาศาล

เมื่อคำนึงถึงคุณสมบัติทั้งหมด เทคโนโลยีการผลิตฮีเลียม-3 ควรมีกระบวนการต่อไปนี้:

1. การสกัดสารรีโกลิธ

“เครื่องเก็บเกี่ยว” แบบพิเศษจะรวบรวมหินรีโกลิธจากชั้นผิวที่มีความหนาประมาณ 2 เมตร และส่งไปยังจุดแปรรูปหรือแปรรูปโดยตรงในระหว่างกระบวนการขุด

2. การปล่อยฮีเลียมจากรีโกลิธ

เมื่อรีโกลิธได้รับความร้อนถึง 600?C ฮีเลียม 75% ที่มีอยู่ในรีโกลิธจะถูกปล่อยออกมา (ถูกดูดซับ) เมื่อถูกความร้อนถึง 800?C ฮีเลียมเกือบทั้งหมดจะถูกปล่อยออกมา เสนอให้ทำความร้อนฝุ่นในเตาเผาแบบพิเศษโดยเน้น แสงแดดเลนส์พลาสติกหรือกระจก

3. จัดส่งสู่โลก ยานอวกาศนำกลับมาใช้ใหม่ได้

เมื่อสกัดฮีเลียม-3 จากรีโกลิธ จะสกัดสารหลายชนิดออกมาด้วย เช่น ไฮโดรเจน น้ำ ไนโตรเจน คาร์บอนไดออกไซด์, ไนโตรเจน, มีเทน, คาร์บอนมอนอกไซด์ - ซึ่งอาจมีประโยชน์ในการรักษาเขตอุตสาหกรรมทางจันทรคติ

โครงการเครื่องเก็บเกี่ยวบนดวงจันทร์เครื่องแรกซึ่งออกแบบมาเพื่อประมวลผล regolith และแยกไอโซโทปฮีเลียม-3 ออกมา ได้รับการเสนอโดยกลุ่มของ J. Kulczynski ปัจจุบัน บริษัท เอกชนในอเมริกากำลังพัฒนาต้นแบบหลายแบบซึ่งดูเหมือนจะถูกส่งไปยังการแข่งขันหลังจากที่ NASA ตัดสินใจเกี่ยวกับคุณสมบัติของการสำรวจดวงจันทร์ในอนาคต

เป็นที่ชัดเจนว่านอกเหนือจากการส่งเครื่องเก็บเกี่ยวไปยังดวงจันทร์แล้ว จะต้องสร้างสถานที่จัดเก็บ ฐานบรรจุคน (เพื่อให้บริการอุปกรณ์ที่ซับซ้อนทั้งหมด) คอสโมโดรม และอื่นๆ อีกมากมายที่นั่น อย่างไรก็ตาม เป็นที่เชื่อกันว่าค่าใช้จ่ายสูงในการสร้างโครงสร้างพื้นฐานที่พัฒนาแล้วบนดวงจันทร์จะชดเชยอย่างดีในแง่ของวิกฤตพลังงานโลกที่กำลังจะมาถึง เมื่อแหล่งพลังงานประเภทดั้งเดิม (ถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ) จะต้องถูกยกเลิก .

ปัญหาทางเทคโนโลยีหลัก

มีปัญหาสำคัญประการหนึ่งในการสร้างพลังงานจากฮีเลียม-3 ความจริงก็คือปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ฮีเลียม-3 นั้นทำได้ยากกว่าปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ทริเทียมมาก

ประการแรก การจุดไฟส่วนผสมของไอโซโทปเหล่านี้เป็นเรื่องยากผิดปกติ อุณหภูมิโดยประมาณที่ปฏิกิริยาแสนสาหัสจะเกิดขึ้นในส่วนผสมดิวทีเรียม-ทริเทียมคือ 100-200 ล้านองศา เมื่อใช้ฮีเลียม-3 อุณหภูมิที่ต้องการจะสูงกว่าสองเท่า ที่จริงแล้วเราจะต้องจุดดวงอาทิตย์ดวงเล็กๆ บนโลก

อย่างไรก็ตาม ประวัติศาสตร์การพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ (ครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา) แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิที่สร้างขึ้นเพิ่มขึ้นตามลำดับความสำคัญภายใน 10 ปี ในปี 1990 Tokamak JET ของยุโรปได้เผาฮีเลียม-3 แล้ว และกำลังไฟฟ้าที่ได้คือ 140 กิโลวัตต์ ในเวลาเดียวกัน Tokamak TFTR ของอเมริกามีอุณหภูมิที่จำเป็นในการเริ่มต้นปฏิกิริยาในส่วนผสมดิวเทอเรียม-ฮีเลียม

อย่างไรก็ตาม การให้แสงสว่างที่ส่วนผสมยังคงมีชัยไปกว่าครึ่ง ข้อเสียของพลังงานแสนสาหัสคือความยากลำบากในการได้รับผลตอบแทนในทางปฏิบัติ เนื่องจากของเหลวทำงานคือพลาสมาที่ให้ความร้อนถึงหลายล้านองศา ซึ่งจะต้องเก็บไว้ในสนามแม่เหล็ก

การทดลองพลาสมาที่ทำให้เชื่องได้ดำเนินการมานานหลายทศวรรษ แต่เมื่อปลายเดือนมิถุนายนปีที่แล้วในมอสโกตัวแทนของหลายประเทศได้ลงนามในข้อตกลงเกี่ยวกับการก่อสร้างทางตอนใต้ของฝรั่งเศสในเมือง Cadarache แห่งการทดลองระดับนานาชาติ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัส (ITER) - ต้นแบบของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แสนสาหัสที่ใช้งานได้จริง ITER จะใช้ดิวทีเรียมและไอโซโทปเป็นเชื้อเพลิง

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสฮีเลียม-3 จะมีโครงสร้างซับซ้อนกว่า ITER และจนถึงขณะนี้ยังไม่มีอยู่ในโครงการด้วยซ้ำ แม้ว่าผู้เชี่ยวชาญหวังว่าเครื่องปฏิกรณ์ฮีเลียม-3 ต้นแบบจะปรากฏขึ้นในอีก 20-30 ปีข้างหน้า แต่ตอนนี้เทคโนโลยีนี้ยังคงเป็นจินตนาการที่แท้จริง

ปัญหาการขุดฮีเลียม-3 ได้รับการวิเคราะห์โดยผู้เชี่ยวชาญระหว่างการพิจารณาเรื่องอนาคตของการสำรวจและพัฒนาดวงจันทร์ ซึ่งจัดขึ้นในเดือนเมษายน พ.ศ. 2547 ในคณะอนุกรรมการด้านอวกาศและการบินของคณะกรรมการวิทยาศาสตร์ของสภาผู้แทนราษฎรแห่งสหรัฐอเมริกา ข้อสรุปของพวกเขาชัดเจน: แม้ในอนาคตอันไกลโพ้น การขุดฮีเลียม-3 บนดวงจันทร์ก็ไม่ได้ผลกำไรเลย

ดังที่ John Logsdon ผู้อำนวยการสถาบันนโยบายอวกาศในวอชิงตันตั้งข้อสังเกตว่า “ชุมชนอวกาศของสหรัฐฯ ไม่ได้มองว่าการขุดฮีเลียม-3 เป็นข้ออ้างสำคัญในการกลับไปสู่ดวงจันทร์ การบินไปที่นั่นเพื่อไอโซโทปนี้ ก็เหมือนกับการส่งโคลัมบัสไปอินเดียเพื่อรับยูเรเนียมเมื่อห้าร้อยปีก่อน เขาสามารถนำมันมาได้ และเขาก็จะนำมันมา แต่อีกสองสามร้อยปีจะไม่มีใครรู้ว่าจะทำอย่างไรกับมัน”

การสกัดฮีเลียม-3 เป็นโครงการระดับชาติ

“ขณะนี้เรากำลังพูดถึงพลังงานแสนสาหัสแห่งอนาคตและเชื้อเพลิงเชิงนิเวศน์ชนิดใหม่ที่ไม่สามารถผลิตได้บนโลก เรากำลังพูดถึงการพัฒนาทางอุตสาหกรรมของดวงจันทร์เพื่อสกัดฮีเลียม-3”

คำกล่าวนี้โดยหัวหน้า บริษัท จรวดและอวกาศ Energia Nikolai Sevastyanov ถูกผู้สังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียมองว่าเป็นแอปพลิเคชั่นสำหรับการจัดตั้ง "โครงการระดับชาติ" ใหม่

แท้จริงแล้วหน้าที่หลักประการหนึ่งของรัฐโดยเฉพาะอย่างยิ่งในศตวรรษที่ 20 คือการกำหนดภารกิจเพื่อสังคมที่ใกล้จะจินตนาการอย่างแม่นยำ สิ่งนี้ก็ใช้เช่นกัน รัฐโซเวียต: การใช้พลังงานไฟฟ้า การพัฒนาอุตสาหกรรม การสร้างสรรค์ ระเบิดปรมาณูดาวเทียมดวงแรก จุดเปลี่ยนของแม่น้ำ

ทุกวันนี้ในสหพันธรัฐรัสเซียรัฐกำลังพยายาม แต่ไม่สามารถกำหนดงานที่ใกล้จะเป็นไปไม่ได้ได้ รัฐต้องการใครสักคนมาแสดงโครงการระดับชาติและพิสูจน์ถึงผลประโยชน์ที่มาจากโครงการนี้ในทางทฤษฎี โปรแกรมสำหรับการพัฒนาและการสกัดฮีเลียม-3 จากดวงจันทร์สู่โลกเพื่อจ่ายพลังงานแสนสาหัสด้วยเชื้อเพลิงเป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้

“ผมแค่คิดว่ามีปัญหาทางเทคโนโลยีที่สำคัญบางประการกำลังขาดแคลน” เน้นย้ำในการสัมภาษณ์ วิทยาศาสตรบัณฑิต สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ เลขาธิการวิทยาศาสตร์ สถาบัน การวิจัยอวกาศ RAS อเล็กซานเดอร์ ซาคารอฟ - อาจเป็นเพราะเหตุนี้พวกเขาจึงลุกขึ้นมา เมื่อเร็วๆ นี้ทั้งหมดนี้พูดถึงการขุดฮีเลียม-3 บนดวงจันทร์เพื่อหาพลังงานแสนสาหัส ถ้า ดวงจันทร์- เป็นแหล่งแร่ธาตุและจากที่นั่นก็นำฮีเลียม-3 นี้มา แต่บนโลกมีพลังงานไม่เพียงพอ... ทั้งหมดนี้เข้าใจได้ฟังดูสวยงามมาก และอาจเป็นเรื่องง่ายที่จะโน้มน้าวผู้มีอิทธิพลให้จัดสรรเงินเพื่อสิ่งนี้ ฉันคิดอย่างนั้น".