На Луне редчайший Гелий-3, и человечество мечтает его добывать. Как и зачем
Существование гелия-3 было предсказано ещё в 1934 году австралийским учёным Марком Олифантом. Это один из двух стабильных изотопов гелия. Ядро гелия-3 состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от более тяжёлого стабильного изотопа — гелия-4, имеющего в составе два протона и два нейтрона (индексы изотопам дали как раз по количеству элементарных частиц). В 1939 году Луис Альварес и Роберт Корног смогли экспериментально подтвердить существование гелия-3. Однако это открытие не вызвало у учёных особого энтузиазма. Дело в том, что несмотря на все преимущества (о которых мы будем говорить ниже), на гелий-3 приходится 0,000137% гелия на Земле, а 99,99986% — на гелий-4, который не имеет полезных свойств первого. Всё изменилось с 1969 года, когда «Аполлон-11» доставил на Землю первые образцы лунного грунта. Оказалось, что лунный реголит относительно богат на гелий-3. Учёные взялись за детальное исследование возможностей данного изотопа гелия.
Что такое ядерный синтез
Для человечества в современном его виде добыча энергии является основополагающим фактором для комфортного существования. Из химических процессов наиболее эффективной в качестве получения энергии является реакция взаимодействия с кислородом — горение, которая сегодня служит основным источником энергии на электростанциях, транспорте и в быту. Ядерные реакции в этом смысле подобны химическим, только энергия связи протонов и нейтронов в ядре значительно больше, чем та, что связывает атомы в молекулы. Поэтому одна тонна ядерного топлива может легко заменить миллионы тонн нефти. Но для выделения из него энергии нужно приложить немало сил (нагреть его до сотен миллионов градусов, чтобы запустить термоядерную реакцию). В природе подобные процессы происходят в недрах звёзд.
Люди подобную реакцию могут повторить пока только в военных целях (водородная бомба). Чтобы удержать такую энергию в каком-нибудь месте и использовать в своих целях, нужны более сложные технологии. Одним из теоретических вариантов являются термоядерные реакторы (токамаки), в которых изначально планировалось синтезировать гелий из дейтерий-тритиевой смеси. Главный недостаток системы — высокая радиоактивность трития, период полураспада которого составляет всего 12,5 лет. В промышленном реакторе внутренние стенки камеры сгорания необходимо будет менять через каждые несколько лет из-за радиационного разрушения материала. Кроме того, выделяемую энергию уносят в основном нейтроны, не имеющие электрического заряда и плохо взаимодействующие с веществом, что усложняет её сбор. Одним из лучших альтернатив является замена трития на гелий-3. Реакции дейтерий-гелиевой смеси практически радиационно безопасны, так как в них используются только стабильные ядра, и не производят неудобные нейтроны.
Что такое гелий-3 и где его искать
Из химии мы знаем, что гелий — это инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха, являющийся вторым по распространенности во Вселенной элементом после водорода. Однако на Земле его содержание крайне мало. Более того, на нашей планете при распаде радиоактивных химических элементов вылетают альфа-частицы — ядра гелия-4. Гелий-3 же в относительно больших количествах содержится в космическом гелии, который образуется, например, на Солнце при термоядерных реакциях. Данный газ очень лёгкий, поэтому, попадая в атмосферу Земли, он быстро улетучивается. Общее количество гелия-3 в атмосфере нашей планеты оценивается в 35 000 тонн. Однако в настоящее время изотоп не добывается из природных источников, а создаётся при распаде искусственно полученного трития, бомбардируя нейтронами литий-6 в ядерном реакторе. Таким способом можно получать до 18 килограмм гелия-3 в год, чего абсолютно недостаточно для каких-либо промышленных нужд.
В природе же он может накопиться либо на больших планетах (Уран или Нептун), способных его удерживать, либо на телах без атмосферы и магнитосферы. Так, Луна в течение миллиардов лет терпела плазменную бомбардировку солнечным ветром. В привезённых на Землю образцах лунного реголита содержание гелия-3 на тонну составило 0,01 грамма. Это означает, что на Луне должно быть от 500 тысяч до нескольких миллионов тонн данного изотопа. Учёные подсчитали, что 0,02 грамма гелия-3 в ходе реакции термоядерного синтеза выделяют энергии столько же, сколько образуется при сжигании барреля нефти (159 литров). При современном уровне мирового энергопотребления лунного топлива человечеству хватило бы на 5-10 тысяч лет, что примерно в десять раз больше, чем энергетический потенциал всего извлекаемого химического топлива (газа, нефти, угля) на Земле.
Зачем вообще добывать гелий-3
Большая часть добытого людьми гелия используется в лабораториях для научных целей. Гелий-3 используется для наполнения газовых детекторов нейтронов. Это счётчики для измерения нейтронного потока. К примеру, нейтронные мониторы используют для обнаружения незаконно перевозимых делящихся материалов и предотвращения ядерного терроризма. Также гелий-3 используют для достижения сверхнизких температур. Ноль Кельвинов (-273,1 °C) — это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Откачкой паров гелия-4 под вакуумом можно получить температуры до 0,7 К. Если же откачивать пары гелия-3, то можно вплотную приблизиться к условной границе криогенных и сверхнизких температур (0,3 К). Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур (около 0,02 К).
Самым же полезным видом применения гелия-3 является термоядерное топливо. Однако именно этого человечество ещё пока делать и не может ввиду отсутствия гелия-3 в необходимых количествах, а также сырой технологии создания и эксплуатации токамаков. Но в теории гелий-3 является чуть ли не идеальным вариантом ядерного топлива. Дейтерий-гелиевые реакции не производят радиоактивные отходы (в том числе в случае аварий), обладают высокой энергоэффективностью, вместо малополезных нейтронов выделяют протоны, которые могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, а реакторы, по расчётам учёных, будут иметь меньшие эксплуатационные затраты.
В чём проблема добычи гелия-3
Как уже было сказано, на Земле природный гелий-3 добывать если и возможно, то абсолютно не эффективно, а искусственное производство покрывает только интересы учёных. На Луне же находятся огромные запасы данного природного топлива. По данным издания World Security Network, стоимость добычи 1 тонны гелия-3 на спутнике Земли может составлять около 3 миллиардов долларов (на 2014 год). Учитывая разницу в энергетической эффективности изотопа гелия и нефти и другие сложные расчёты, даже такая сумма является экономически выгодной. Однако есть нюанс. Для того, чтобы начать добычу чего бы то ни было на Луне, придётся для начала переселить туда несколько шахтерских городов, что, по сути, означает колонизацию спутника. Нужна ещё и соответствующая инфраструктура (людям придется жить в условиях вакуума самостоятельно и обеспечивать себя водой, воздухом, топливом, основными строительными материалами и так далее), создание которой обойдется гораздо дороже и займёт не меньше 20 лет. А этим никто не будет заниматься, пока до конца не ясна перспектива использования термоядерных реакторов, которые на данный момент работают исключительно в экспериментальном режиме, удерживая реакции в течение нескольких секунд, и ни о каком массовом получении энергии пока речь не идет.