Гелій на місяці. Гелій-три - енергія майбутнього. Де? або сонячний гість

Не виключено, що в найближчі роки ми станемо свідками Місячної гонки-2, переможець (або переможці) якої отримає в свої руки практично невичерпне джерело енергії. Це в свою чергу, дозволить людству вийти на якісно новий технологічний уклад, про параметри якого ми можемо тільки здогадуватися.

Що таке гелій-3?

Зі шкільного курсу фізики ми пам'ятаємо, що атомна маса гелію дорівнює чотирьом і цей елемент є інертним газом. Його проблематично використовувати в будь-яких хімічних реакціях, тим більше з виділенням енергії. Зовсім інша справа - ізотоп гелію з атомною масою 3. Він здатний входити в термоядерну реакцію з дейтерієм (ізотопом водню з атомною масою 2) в результаті чого утворюється гігантська енергія за рахунок синтезу звичайного гелію-4 з виділенням протона (3 Чи не + D → 4 Чи не + p + енергія). Подібним чином з усього одного грама гелію-3 можна отримати таку ж енергію, як при спалюванні 15-ти тонн нафти.

Тонни гелію-3 вистачить для енерговиділення на рівні 10 ГВт протягом року. Таким чином, щоб закрити всі сьогоднішні енергопотреби Росії, щорічно знадобиться 20 тонн гелію-3, а для всього людства буде потрібно приблизно 200 тонн даного ізотопу в рік. При цьому відпаде необхідність палити нафту і газ, запаси яких не безмежні, за останніми оцінками розвіданих запасів вуглеводнів - людству вистачить всього на півстоліття. Не потрібно буде експлуатувати і досить небезпечні АЕС, що після Чорнобиля і Фукусіми набуло особливої \u200b\u200bактуальності.

Де взяти гелій-3?

При сучасному розвитку технологій єдиним реально доступним джерелом цього елемента є поверхню Місяця. Сам по собі гелій-3 утворюється в надрах зірок (наприклад, за наше Сонце) в результаті з'єднання двох атомів водню. При цьому основним продуктом цієї реакції є звичайний гелій-4, а ізотоп-3 утворюється в малих кількостях. Частина його виноситься сонячним вітром і рівномірно розподіляється по планетної системи.

На Землю гелій-3 практично не випадає, оскільки його атоми відхиляються магнітним полем нашої планети. Зате на планетах, у яких таке поле відсутнє, елемент осідає у верхніх шарах грунту і поступово накопичується. Найближчим до Землі небесним тілом, у якого відсутнє магнітне поле, є Місяць, тому саме тут зосереджені доступні людству запаси цього цінного енергоносія.

Підтвердженням тому служать не тільки теоретичні викладки, а й результати емпіричних досліджень. У всіх пробах місячного грунту, доставлених на Землю, був виявлений гелій-3 в відносно високих концентраціях. В середньому - на 100 тонн реголіту доводиться 1 гр. даного енергоізотопа.

Таким чином, щоб отримати вищезгадані 20 тонн гелію-3 для повного задоволення річних енергопотреб РФ, знадобиться «перелопатити» 2. 000 млн. Тонн місячного грунту.

Фізично це відповідає ділянці на Місяці розмірами 20х20 км з глибиною кар'єра 3 м. Завдання щодо організації такої масштабної видобутку - досить складна, але цілком вирішувана, впевнені сучасні інженери. Судячи з усього, більш важкою і дорогої проблемою стане доставка десятків тонн палива для теромоядерних печей на Землю.

Чого не вистачає людству для гелиевой енергореволюціі?

Для розвитку на Землі повноцінної термоядерної енергетики на базі гелію-3 людям треба буде розв'язати три основні завдання.

1. Створення надійних і потужних засобів доставки вантажів за маршрутом Земля-Місяць і назад.

2. Зведення місячних баз і комплексів з видобутку гелію-3, яке пов'язане з безліччю технологічних проблем.

3. Будівництво власне термоядерних електростанцій на Землі, для чого також належить подолати певні технологічні бар'єри.

До вирішення першого завдання людство присунулося практично впритул. Всі чотири країни, які беруть участь в Місячної гонці-2 плюс Європейський Союз, вже розробили або розробляють ракети важкого класу, здатні закидати тонни вантажу на місячну орбіту. Наприклад, до 2027 року в Росії запланована реалізація «в залізі» ракети-носія «Ангара-А5В», яка буде здатна доставити на Місяць не менше 10 тонн корисного вантажу. Зі зворотного транспортуванням буде простіше, оскільки сила тяжіння Місяця в 6 разів менше земного, але тут проблемою буде паливо. Його доведеться або завозити з Землі, або виробляти на поверхні нашого супутника.

Набагато серйознішою є друге завдання, оскільки крім організації власне видобутку гелію-3 з реголіту інженерам доведеться створити надійні місячні бази з системами життєзабезпечення для шахтарів майбутнього. В цьому сильно допоможуть технології, напрацьовані завдяки багаторічній експлуатації орбітальних станцій, перш за все МКС і «Мир». Як в Росії, так і в інших країнах сьогодні активно проектуються місячні бази і, мабуть, наша країна на сьогодні має максимум технологій для реального втілення подібних проектів.

Що стосується третьої проблеми, то роботи по створенню термоядерних реакторів йдуть на Землі останні три десятиліття. Основною технологічною складністю тут є проблема утримання високотемпературної плазми (необхідної для «розпалювання» термоядерного синтезу) в т.зв. «Магнітних пастках».

Це питання вже вирішене для реакторів, які працюють на принципі з'єднання дейтерію і тритію (D + T \u003d 4 He + n + енергія). Для підтримки такої реакції досить температури в 100 млн. Градусів.

Однак подібні реактори ніколи не стануть масовими, оскільки вони надзвичайно радіоактивні. Для запуску реакції за участю гелію-3 і дейтерію знадобляться температури в 300-700 млн. Градусів. Поки таку плазму не вдається довго утримувати в магнітних пастках, але можливо до прориву в цій галузі призведе запуск Міжнародного експериментального термоядерного реактора (ITER), який зараз будується у Франції і буде введений в експлуатацію 2025 р

Таким чином, десятиліття між 2030-2040 рр. має всі шанси опинитися стартовим в справі розвитку енергетики на базі гелію-3, оскільки до цього часу, судячи з усього, будуть подолані технологічні перешкоди, зазначені вище. Відповідно, залишиться знайти гроші на реалізацію енергопроекту, який здатний перевести людство в епоху надзвичайно дешевої (майже дармової) енергії з усіма витікаючими наслідками, як для економіки, так і якості життя кожної людини.

Склад і будова

Фізичні властивості

Використання

Лічильники нейтронів

Газові лічильники, наповнені гелієм-3, використовуються для детектування нейтронів. Це найбільш поширений метод вимірювання нейтронного потоку. У них відбувається реакція

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МеВ.

Заряджені продукти реакції - тритон і протон - реєструються газовим лічильником, що працюють в режимі пропорційного лічильника або лічильника Гейгера-Мюллера.

Отримання наднизьких температур

Шляхом розчинення рідкого гелію-3 в гелії-4 досягають міллікельвінових температур.

Медицина

Поляризований гелій-3 (він може довго зберігатися) недавно почав використовуватися в магнітно-резонансної томографії для отримання зображення легенів за допомогою ядерного магнітного резонансу.

вартість

Середня ціна гелію-3 в 2009 році склала $ 930 за літр.

Гелій-3 як ядерне паливо

Реакція 3 Чи не + D → 4 Чи не + p має ряд переваг в порівнянні з найбільш досяжною в земних умовах дейтериево-тритиевой реакцією T + D → 4 Чи не + n. До цих переваг відносяться:

До недоліків гелій-дейтерієвої реакції слід віднести значно вищий температурний поріг. Необхідно досягти температури приблизно в мільярд градусів, щоб вона могла початися.

В даний час гелій-3 не видобувається з природних джерел, а створюється штучно, при розпаді тритію. Останній проводився для термоядерного зброї шляхом опромінення бору-10 і літію-6 в ядерних реакторах.

Плани видобутку гелію-3 на Місяці

Гелій-3 є побічним продуктом реакцій, що протікають на Сонці. На Землі його добувають в дуже невеликих кількостях, що обчислюються декількома десятками грамів за рік.

Нестабільні (менше доби): 5 He: Гелій-5, 6 He: Гелій-6, 7 He: Гелій-7, 8 He: Гелій-8, 9 He: Гелій-9, 10 He: Гелій-10

Wikimedia Foundation. 2010 року.

Науково-технічний енциклопедичний словник

Я, чоловік. , Старий. Елій, я.Отч .: Геліевіч, Геліевна.Проізводние: Геля (Гела); Еля.Проісхожденіе: (Від грец. Hēlios сонце.) Іменини: 27 липня Словник особистих імен. Гелій Див. Еллій. День ангела. Справоч ... Словник особистих імен

ГЕЛІЙ - хім. елемент, символ Чи не (лат. Helium), ат. н. 2, ат. м. 4,002, відноситься до інертним (благородним) газам; без кольору і запаху, щільність 0,178 кг / м3. У звичайних умовах Г. одноатомний газ, атом якого складається з ядра і двох електронів; утворюється ... Велика політехнічна енциклопедія

- (Helium), He, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 2, атомна маса 4,002602; відноситься до благородних газів; саме низькокипляча речовина (t кип 268,93шC), єдине не твердне при нормальному тиску; ... ... Сучасна енциклопедія - ГЕЛІЙ, я, чоловік. Хімічний елемент, інертний газ без кольору і запаху, найлегший газ після водню. | дод. гелевий, а, е. Тлумачний словник Ожегова. С.І. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 ... Тлумачний словник Ожегова

- (Helium) газ без кольору і запаху, хімічно недіяльний, в 7,2 рази легший за повітря, не горить. У дуже малій кількості знаходиться в атмосфері (1/2000%). Внаслідок своєї легкості і негорючості застосовується головним чином для наповнення дирижаблів ... Морський словник

Цей ізотоп планується видобувати на Місяці для потреб термоядерної енергетики. Однак це справа далекого майбутнього. Проте гелій-3 надзвичайно затребуваний вже сьогодні - зокрема, в медицині.

Володимир Тесленко

Загальна кількість гелію-3 в атмосфері Землі оцінюється всього лише в 35 000 т. Його надходження з мантії в атмосферу (через вулкани і розломи в корі) складає кілька кілограмів на рік. У місячному реголіті гелій-3 поступово накопичувався протягом сотень мільйонів років опромінення сонячним вітром. В результаті тонна місячного грунту містить 0,01 г гелію-3 і 28 г гелію-4; це ізотопне співвідношення (~ 0,04%) значно вище, ніж в земній атмосфері.

Амбітні плани видобутку гелію-3 на Місяці, на повному серйозі розглядаються не тільки космічними лідерами (Росія і США), а й новачками (Китай і Індія), пов'язані з надіями, які покладають на цей ізотоп енергетики. Ядерна реакція 3Не + D → 4Не + p має ряд переваг в порівнянні з найбільш досяжною в земних умовах дейтериево-тритиевой реакцією T + D → 4Не + n.

До цих переваг відноситься в десятки разів нижчий потік нейтронів із зони реакції, що різко зменшує наведену радіоактивність і деградацію конструкційних матеріалів реактора. Крім того, один з продуктів реакції - протони - на відміну від нейтронів, легко вловлюються і можуть бути використані для додаткової генерації електроенергії. При цьому і гелій-3, і дейтерій неактивні, їх зберігання не вимагає особливих запобіжних заходів, а при аварії реактора з розгерметизацією активної зони радіоактивність викиду близька до нуля. Є у гелій-дейтерієвої реакції і серйозний недолік - значно більш високий температурний поріг (для початку реакції потрібна температура близько мільярда градусів).

Хоча все це справа майбутнього, гелій-3 надзвичайно затребуваний і зараз. Правда, не для енергетики, а для ядерної фізики, кріогенної промисловості та медицини.

Магнітно-резонансна томографія

З моменту своєї появи в медицині магнітно-резонансна томографія (МРТ) стала одним з основних діагностичних методів, що дозволяють без будь-якої шкоди заглянути «всередину» різних органів.

Приблизно 70% маси людського тіла припадає на водень, ядро \u200b\u200bякого, протон, володіє певним спіном і пов'язаним з ним магнітним моментом. Якщо помістити протон у зовнішнє постійне магнітне поле, спин і магнітний момент орієнтуються або уздовж поля, або назустріч, причому енергія протона в першому випадку буде менше, ніж у другому. Протон можна перевести з першого стану в друге, передавши йому строго певну енергію, що дорівнює різниці між цими енергетичними рівнями, - наприклад, опромінюючи його квантами електромагнітного поля з певною частотою.

Як намагнітити гелій-3

Найпростішим і самим прямим способом намагнітити гелій-3 є його охолодження в сильному магнітному полі. Однак ефективність цього методу досить низька, до того ж він вимагає сильних магнітних полів і низьких температур. Тому на практиці застосовують метод оптичного накачування - передачі атомам гелію спина від поляризованих фотонів накачування. У випадку з гелієм-3 це відбувається в два етапи - оптичне накачування в метастабільних станів і спіновий обмін між атомами гелію в основному і метастабільних станів. Технічно це реалізується шляхом опромінення лазерним випромінюванням з круговою поляризацією осередки з гелієм-3, перекладеного в метастабільний стан слабким високочастотним електричним розрядом, в присутності слабкого магнітного поля. Поляризований гелій можна зберігати в посудині з внутрішнім покриттям з цезію при тиску 10 атмосфер протягом близько 100 годин.

Саме так і влаштований МР-томограф, тільки виявляє він не окремі протони. Якщо помістити зразок, який містить велику кількість протонів в потужне магнітне поле, то кількості протонів з магнітним моментом, спрямованим уздовж і назустріч полю, виявляться приблизно рівними. Якщо почати опромінювати цей зразок електромагнітним випромінюванням строго певної частоти, всі протони з магнітним моментом (і спіном) «уздовж поля» перекинуться, зайнявши становище «назустріч полю». При цьому відбувається резонансне поглинання енергії, а під час процесу повернення до вихідного стану, званому релаксацією, - переизлучение отриманої енергії, яке можна виявити. Це явище і називається ядерним магнітним резонансом, ЯМР. Середня поляризація речовини, від якої залежить корисний сигнал при ЯМР, прямо пропорційна напруженості зовнішнього магнітного поля. Щоб отримати сигнал, який можна виявити і відокремити від шумів, потрібно надпровідний магніт - тільки йому під силу створити магнітне поле з індукцією порядку 1-3 Тл.

магнітний газ

МР-томограф «бачить» скупчення протонів, тому відмінно підходить для вивчення та діагностики м'яких тканин і органів, що містять великі кількості водню (в основному у вигляді води), а також дає можливість розрізняти магнітні властивості молекул. Таким способом можна, скажімо, відрізнити артеріальну кров, що містить гемоглобін (основний переносник кисню в крові), від венозної, що містить парамагнітний дезоксигемоглобін, - саме на цьому заснована фМРТ (функціональна МРТ), що дозволяє відстежувати активність нейронів головного мозку.

Але, на жаль, така чудова методика, як МРТ, абсолютно не пристосована для вивчення заповнених повітрям легенів (навіть якщо наповнити їх воднем, сигнал від газоподібного середовища з низькою щільністю буде дуже слабкий на тлі шумів). Та й м'які тканини легенів не дуже добре видно за допомогою МРТ, оскільки вони «пористі» і містять мало водню.

Чи можна обійти це обмеження? Можна, якщо використовувати «намагнічений» газ - в цьому випадку середня поляризація буде визначатися не зовнішнім полем, тому що все (або майже все) магнітні моменти будуть орієнтовані в одному напрямку. І це зовсім не фантастика: в 1966 році французький фізик Альфред Кастлер отримав Нобелівську премію з формулюванням «За відкриття і розробку оптичних методів дослідження резонансів Герца в атомах». Він займався питаннями оптичної поляризації спінових систем - тобто якраз «намагнічуванням» газів (зокрема, гелію-3) за допомогою оптичного накачування при резонансному поглинанні фотонів з круговою поляризацією.

Ядерний магнітний резонанс використовує магнітні властивості ядер водню - протонів. Без зовнішнього магнітного поля магнітні моменти протонів орієнтовані довільно (як на першому зображенні). При накладенні потужного магнітного поля магнітні моменти протонів орієнтуються паралельно полю - або «уздовж», або «назустріч». Два цих положення мають різну енергію (2). Радіочастотний імпульс з резонансною частотою, що відповідає різниці енергій, «перевертає» магнітні моменти протонів «назустріч» полю (3). Після закінчення радіочастотного імпульсу відбувається зворотний «переворот», і протони випромінюють на резонансній частоті. Цей сигнал приймається радіочастотної системою томографа і використовуються комп'ютером для побудови зображення (4).

дихайте глибше

Піонерами використання поляризованих газів в медицині стала група дослідників з Прінстона і Нью-йоркського університету в Стоні-Брук. У 1994 році вчені опублікували в журналі Nature статтю, в якій вперше було продемонстровано зображення легенів миші, отримане за допомогою МРТ.

Правда, МРТ не зовсім стандартною - методика була заснована на відгук не ядер водню (протонів), а ядер ксенону-129. До того ж газ був не зовсім звичайним, а гіперполярізованним, тобто заздалегідь «намагніченим». Так народився новий метод діагностики, який незабаром почали застосовувати і в людській медицині.

Гіперполярізованний газ (зазвичай в суміші з киснем) потрапляє в найвіддаленіші закутки легких, що дає можливість отримати МРТ-знімок з дозволом на порядок вище кращих рентгенівських знімків. Можна навіть побудувати детальну карту парціального тиску кисню в кожній ділянці легенів і потім зробити висновок про якість кров'яного потоку і дифузії кисню в капілярах. Ця методика дозволяє вивчити характер вентиляції легенів у астматиків і контролювати процес дихання критичних пацієнтів на рівні альвеол.

Як працює МРТ. МР-томограф виявляє скупчення протонів - ядер атомів водню. Тому МР-томографія показує відмінності в змісті водню (в основному води) в різних тканинах. Існують і інші способи відрізняти одну тканину від іншої (скажімо, відмінності в магнітних властивостях), які застосовуються в спеціалізованих дослідженнях.

Переваги МРТ з використанням гіперполярізованних газів цим не обмежуються. Оскільки газ гіперполярізован, рівень корисного сигналу виявляється значно вище (приблизно в 10000 разів). Це означає, що відпадає необхідність в надсильних магнітних полях, і призводить до конструкції так званих слабопольних МР-томографів - вони дешевші, мобільніше і набагато просторіше. У таких установках використовуються електромагніти, що створюють поле порядку 0,005 Тл, що в сотні разів слабкіше стандартних МР-томографів.

маленьке перешкода

Хоча перші експерименти в цій області проводилися з гіперполярізованним ксеноном-129, незабаром його замінив гелій-3. Він нешкідливий, дозволяє отримувати більш чіткі зображення, ніж ксенон-129, має в три рази більший магнітний момент, що обумовлює більш сильний сигнал в ЯМР. Крім того, збагачення ксенону-129 через близькість маси з іншими ізотопами ксенону - дорогий процес, та й досяжна поляризація газу істотно нижче, ніж у гелію-3. До того ж ксенон-129 має седативний ефект.

Але якщо слабопольние томографи прості і дешеві, чому ж метод МРТ з гіперполярізованним гелієм не використовується зараз в кожній поліклініці? Є одна перешкода. Але зате яке!

Спадщина холодної війни

Єдиний спосіб отримання гелію-3 - розпад тритію. Велика частина запасів 3He зобов'язана своїм походженням розпаду тритію, виробленого під час ядерної гонки озброєнь в період холодної війни. У США до 2003 року було накопичено приблизно 260 000 л «сирого» (неочищеного) гелію-3, а до 2010 року залишилося тільки 12000 л незадействованного газу. У зв'язку зі зростанням попиту на цей дефіцитний газ в 2007 році навіть було відновлено виробництво обмежених кількостей тритію, і до 2015 року планується додатково отримувати по 8000 л гелію-3 щорічно. При цьому річний попит на нього вже зараз складає не менше 40 000 л (з них тільки 5% використовується в медицині). У квітні 2010 року американський Комітет з питань науки і технології США зробив висновок, що нестача гелію-3 призведе до реальних негативних наслідків для багатьох областей. Навіть вчені, що працюють в ядерній галузі США, зазнають труднощів з придбанням гелію-3 із запасів держави.

охолодження змішуванням

Ще одна галузь, яка не може обійтися без гелію-3 - це кріогенна промисловість. Для досягнення наднизьких температур застосовується т.зв. рефрижератор розчинення, який використовує ефект розчинення гелію-3 в гелії-4. При температурі нижче 0.87 До суміш розділяється на дві фази - багату гелієм-3 і гелієм-4. Перехід між цими фазами вимагає енергії, і це дає можливість охолодження до дуже низьких температур - до 0,02 К. Найпростіше такий пристрій має достатній запас гелію-3, який поступово переміщається через кордон розділу фаз в фазу, багату гелієм-4 з поглинанням енергії . Коли запас гелію-3 закінчиться, пристрій не зможе працювати далі - воно «одноразове».
Саме такий спосіб охолодження, зокрема, використовувався в орбітальній обсерваторії Planck Європейського космічного агентства. У завдання «Планка» входила реєстрація анізотропії реліктового випромінювання (з температурою близько 2,7 К) з високою роздільною здатністю за допомогою 48 Болометрична детекторів HFI (High Frequency Instrument), охолоджуваних до 0,1 К. До того, як запас гелію-3 в системі охолодження був вичерпаний, «Планк» встиг зробити 5 знімків неба в мікрохвильовому діапазоні.

Аукціонна ціна гелію-3 коливається в районі $ 2000 за літр, причому ніяких тенденцій до зниження не спостерігається. Дефіцит цього газу обумовлений тим, що основна частина гелію-3 використовується для виготовлення нейтронних детекторів, які застосовуються в пристроях для виявлення ядерних матеріалів. Такі детектори реєструють нейтрони по реакції (n, p) - захоплення нейтрона і випускання протона. А щоб засікти спроби завезення ядерних матеріалів, таких детекторів потрібно дуже багато - сотні тисяч штук. Саме з цієї причини гелій-3 став фантастично доріг і малодоступний для масової медицини.

Втім, надії є. Правда, покладаються вони не на місячний гелій-3 (його видобуток залишається віддаленою перспективою), а на тритій, що утворюється в важководяних реакторах типу CANDU, які експлуатуються в Канаді, Аргентині, Румунії, Китаї та Південній Кореї.

Гелій-три. Дивне і незрозуміле словосполучення. Проте чим далі, тим більше ми будемо чути його. Тому що, на думку фахівців, саме гелій-три врятує наш світ від насувається енергетичної кризи. І в цьому підприємстві найактивніша роль відводиться Росії.

місяць

Перспективна термоядерна енергетика, яка використовує в якості основи реакцію синтезу дейтерій-тритій, хоча і більш безпечна, ніж енергетика поділу ядра атома, яка використовується на сучасних АЕС, все ж має ряд істотних недоліків.

• По перше, При цьому реакції виділяється набагато більше (на порядок!) Число високоенергетичних нейтронів. Настільки інтенсивного нейтронного потоку жоден з відомих матеріалів не може витримати понад шість років - при тому, що має сенс робити реактор з ресурсом як мінімум в 30 років. Отже, першу стінку тритієвого термоядерного реактора буде необхідно замінювати - а це дуже складна і дорога процедура, пов'язана ще й з зупинкою реактора на досить тривалий термін.
• По-друге, Від потужного нейтронного випромінювання необхідно екранувати магнітну систему реактора, що ускладнює і, відповідно, здорожує конструкцію.
• По-третє, Багато елементів конструкції тритієвого реактора після закінчення експлуатації будуть високоактивними і зажадають поховання на тривалий термін в спеціально створених для цього сховищах.

У разі ж використання в термоядерному реакторі дейтерію з ізотопом гелію-3 замість тритію більшість проблем вдається вирішити. Інтенсивність нейтронного потоку падає в 30 разів - відповідно, можна без праці забезпечити термін служби в 30-40 років. Після закінчення експлуатації гелиевого реактора високоактивні відходи не утворюються, а радіоактивність елементів конструкції буде так мала, що їх можна поховати буквально на міському звалищі, злегка присипавши землею.

У чому ж проблема? Чому ми досі не використовуємо таке вигідне термоядерна паливо?

Перш за все, тому, що на нашій планеті цього ізотопу надзвичайно мало. Народжується він на Сонце, чому іноді називається «сонячним ізотопом». Його загальна маса там перевищує вагу нашої планети. У навколишній простір гелій-3 розноситься сонячним вітром. Магнітне поле Землі відхиляє значну частину цього вітру, а тому гелій-3 становить лише одну трильйонну частина земної атмосфери - приблизно 4000 т. На самій Землі його ще менше - близько 500 кг.

На Місяці цього ізотопу значно більше. Там він вкрапляется в місячний грунт «реголіт», за складом нагадує звичайний шлак. Йдеться про величезні - практично невичерпних запасах!

Аналіз шести зразків грунту, привезених експедиціями «Аполлон», і двох зразків, доставлених радянськими автоматичними станціями « місяць», Показав, що в реголіті, що покриває всі моря і плоскогір'я Місяця, міститься до 106 т гелію-3, що забезпечило б потреби земної енергетики, навіть збільшеною в порівнянні із сучасною в кілька разів, на тисячоліття! За сучасними підрахунками, запаси гелію-3 на Місяці на три порядки більше - 109 т.

Крім Місяця, гелій-3 можна знайти в щільних атмосферах планет-гігантів, і, по теоретичних оцінок, запаси його тільки на Юпітері становлять 1020 т, чого вистачило б для енергетики Землі до кінця часів.

Проекти видобутку гелію-3

Реголіт покриває Місяць шаром товщиною в кілька метрів. Реголіт місячних морів багатшими гелієм, ніж реголіт плоскогір'їв. 1 кг гелію-3 міститься приблизно в 100 000 т реголіту.

Отже для того, щоб добути коштовний ізотоп, необхідно переробити величезну кількість розсипчастого місячного грунту.

З урахуванням всіх особливостей технологія видобутку гелію-3 повинна включати наступні процеси:

1. Видобуток реголіту.

Спеціальні «комбайни» збиратимуть реголіт з поверхневого шару завтовшки близько 2 м і доставляти його на пункти переробки або переробляти безпосередньо в процесі видобутку.

2. Виділення гелію з реголіту.

При нагріванні реголіту до 600 ° С виділяється (десорбується) 75% міститься в реголіті гелію, при нагріванні до 800 ° С - майже весь гелій. Нагрівання пилу пропонується вести в спеціальних печах, фокусуючи сонячне світло або пластмасовими лінзами, або дзеркалами.

3. Доставка на Землю космічними кораблями багаторазового використання.

При видобутку гелію-3 з реголіту витягуються також численні речовини: водень, вода, азот, вуглекислий газ, азот, метан, чадний газ, - які можуть бути корисні для підтримки місячного промислового комплексу.

Проект першого місячного комбайна, призначеного для переробки реголіту і виділення з нього ізотопу гелію-3, був запропонований ще групою Дж.Кульчінскі. В даний час приватні американські компанії розробляють кілька прототипів, які, мабуть, будуть представлені на конкурс після того, як НАСА визначиться з рисами майбутньої експедиції на Місяць.

Зрозуміло, що, крім доставки комбайнів на Місяць, там доведеться звести сховища, населену базу (для обслуговування всього комплексу обладнання), космодром і багато іншого. Вважається, проте, що високі витрати на створення розвиненої інфраструктури на Місяці окупляться сторицею в плані того, що гряде глобальна енергетична криза, коли від традиційних видів енергоносіїв (вугілля, нафта, природний газ) доведеться відмовитися.

Головна технологічна проблема

На шляху до створення енергетики на основі гелію-3 є одна важлива проблема. Справа в тому, що реакцію дейтерій-гелій-3 здійснити набагато складніше, ніж реакцію дейтерій-тритій.

В першу чергу, надзвичайно важко підпалити суміш цих ізотопів. Розрахункова температура, при якій піде термоядерна реакція в дейтерій-тритиевой суміші, - 100-200 мільйонів градусів. При використанні гелію-3 необхідна температура на два порядки вище. Фактично ми повинні запалити на Землі маленьке сонце.

Однак історія розвитку ядерної енергетики (останні півстоліття) демонструє збільшення генеруються температур на порядок протягом 10 років. У 1990 році на європейському токамаке JET вже палили гелій-3, при цьому отримана потужність склала 140 кВт. Приблизно тоді ж на американському токамаке TFTR була досягнута температура, необхідна для початку реакції в дейтерій-гелієвої суміші.

Втім, запалити суміш ще півсправи. Мінус термоядерної енергетики - складність отримання практичної віддачі, адже робочим тілом є нагріта до багатьох мільйонів градусів плазма, яку доводиться утримувати в магнітному полі.

Експерименти по приручення плазми проводяться вже багато десятиліть, але лише в кінці червня минулого року в Москві представниками ряду країн було підписано угоду про будівництво на півдні Франції в місті Кадараш Міжнародного експериментального термоядерного реактора (ITER) - прототипу практичної термоядерної електростанції. В якості палива ITER буде використовувати дейтерій з тритієм.

Термоядерний реактор на гелії-3 буде конструктивно складніше, ніж ITER, і поки його немає навіть в проектах. І хоча фахівці сподіваються, що прототип реактора на гелії-3 з'явиться в найближчі 20-30 років, поки ця технологія залишається чистою фантастикою.

Питання видобутку гелію-3 аналізувався експертами в ході слухань з питань майбутнього дослідження і освоєння Місяця, що відбулися в квітні 2004 року в Підкомітеті з космосу і аеронавтики комітету з науки палати депутатів Конгресу США. Їх висновок був однозначний: навіть у віддаленому майбутньому видобуток гелію-3 на Місяці зовсім невигідна.

Як зазначив Джон Логсдон, директор Інституту космічної політики з Вашингтона: «Космічне співтовариство США не розглядає видобуток гелію-3 в якості серйозного приводу для повернення на Місяць. Летіти туди за цим ізотопом все одно що п'ятсот років тому відправити Колумба до Індії за ураном. Привезти-то він його може, і привіз би, тільки ще кілька сотень років ніхто не знав би, що з ним робити ».

Видобуток гелію-3 як національний проект

«Ми говоримо зараз про термоядерної енергетики майбутнього і новому екологічному типі палива, яке не можна добути на Землі. Йдеться про промислове освоєння Місяця для видобутку гелію-3 ».

Це висловлювання глави ракетно-космічної корпорації «Енергія» Миколи Севастьянова було сприйнято російськими науковими оглядачами як заявка на формування нового «національного проекту».

Адже по суті, однією з головних функцій держави, особливо в XX столітті, було якраз формулювання перед суспільством завдань на межі уяви. Це стосувалося і радянської держави: електрифікація, індустріалізація, створення атомної бомби, перший супутник, поворот річок.

Сьогодні в РФ держава намагається, але не може сформулювати завдання на межі неможливого. Державі потрібно, щоб хтось показав йому загальнонаціональний проект і обгрунтував вигоди, які з цього проекту в теорії виникають. Програма освоєння і видобутку гелію-3 з Місяця на Землю з метою постачання термоядерної енергетики паливом ідеально відповідає цим вимогам.

«Я просто думаю, що є дефіцит в якоїсь великої технологічної задачі, - підкреслив в інтерв'ю доктор фізико-математичних наук, вчений секретар Інституту космічних досліджень РАН Олександр Захаров. - Може бути, через це і виникли останнім часом всі ці розмови про видобуток на Місяці гелію-3 для термоядерної енергетики. якщо місяць - джерело корисних копалин, і звідти везти цей гелій-3, а на Землі не вистачає енергії ... Все це зрозуміло, звучить дуже красиво. І під це легко, може бути, умовити впливових людей виділити гроші. Я думаю, що це так ».