Добыча гелия 3 на луне

Гелий-3
Название, символ	Гелий-3, 3 He
Нейтронов	1
Свойства нуклида
Атомная масса	3,0160293191(26) [1] а. е. м.
Дефект массы	14 931,2148(24) [1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	2 572,681(1) [1] кэВ
Изотопная распространённость	0,000137(3) [2] %
Период полураспада	стабильный [2]
Родительские изотопы	3 H (β − )
Спин и чётность ядра	1/2 + [2]
Таблица нуклидов

Ге́лий-3 — более лёгкий из двух стабильных изотопов гелия. Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от гелия-4, имеющего в составе два протона и два нейтрона.

Содержание

Распространённость [ править | править код ]

Природная изотопная распространённость гелия-3 в атмосфере Земли составляет 0,000137 % (1,37 частей на миллион по отношению к гелию-4); в других резервуарах она может очень сильно отличаться в результате природного фракционирования и т. п. [2] . Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в 35 000 тонн . Оба изотопа гелия постоянно улетучиваются из атмосферы в космос, однако убыль гелия-4 на Земле восполняется за счёт альфа-распада урана, тория и их дочерних нуклидов (альфа-частица представляет собой ядро гелия-4). В отличие от более тяжёлого изотопа, гелий-3 не появляется в процессах радиоактивного распада (за исключением распада космогенного трития). Бо́льшая часть гелия-3 на Земле сохранилась со времён её образования. Он растворён в мантии и постепенно поступает в атмосферу; его изотопная распространённость в мантийной магме составляет 4—10 частей на миллион частей гелия-4 [3] , а некоторые материалы мантийного происхождения имеют в 10—40 раз большее соотношение, чем в атмосфере [4] [5] . Однако его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) оценивается всего в несколько килограммов в год. Некоторая часть гелия-3 возникает при распаде трития, в реакциях скалывания на литии (под действием альфа-частиц и космических лучей), а также поступает из солнечного ветра. На Солнце и в атмосферах планет-гигантов первичного гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли.

В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта (в тончайшем приповерхностном слое) содержит порядка 0,01 г гелия-3 (до 50 ppb [6] ) и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (

0,043 %) значительно выше, чем в земной атмосфере [7] .

Открытие [ править | править код ]

Существование гелия-3 было предположено австралийским ученым Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в 1934 году. Окончательно открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в 1939 году.

Физические свойства [ править | править код ]

Атомная масса гелия-3 равна 3,016 (у гелия-4 она равна 4,0026, ввиду чего их физические свойства весьма отличаются). Гелий-3 кипит при 3,19 К (гелий-4 — при 4,23 К ), его критическая точка равна 3,35 К (у гелия-4 — 5,19 К ). Плотность жидкого гелия-3 при температуре кипения и нормальном давлении равна 59 г/л , тогда как у гелия-4 она равна 124,73 г/л , в 2 раза больше. Удельная теплота испарения равна 26 Дж/моль (у гелия-4 — 82,9 Дж/моль ).

Газообразный гелий-3 при нормальных условиях ( T = 273,15 K = 0 °C , P = 101 325 Па ) имеет плотность 0,1346 г/л . Соответственно, объём одного грамма гелия-3 при н.у. равен 7,43 литра .

Жидкий гелий-3 [ править | править код ]

Квантовая жидкость, существенно отличающаяся по свойствам от жидкого гелия-4. Жидкий гелий-3 удалось получить только в 1948 году. В 1972 году в жидком гелии-3 был обнаружен фазовый переход в сверхтекучее состояние при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм (ранее считалось, что сверхтекучесть, как и сверхпроводимость — явления, характерные для бозе-конденсата, то есть кооперативные явления в среде с целочисленным спином объектов). За открытие сверхтекучести гелия-3 в 1996 году Д. Ошерову, Р. Ричардсону и Д. Ли была присуждена Нобелевская премия по физике.

В 2003 году Нобелевской премией по физике отмечены А. А. Абрикосов, В. Л. Гинзбург и Э. Леггет, в том числе и за создание теории сверхтекучести жидкого гелия-3 [8] /

Получение [ править | править код ]

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников (на Земле доступны незначительные количества гелия-3, чрезвычайно трудные для добычи), а создаётся при распаде искусственно полученного трития [9] .

Тритий производится отдельными государствами как компонент для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах. Несколько сотен тысяч литров гелия-3 были наработаны в рамках оружейных ядерных программ, однако эти запасы уже недостаточны для существующего в США спроса. Дополнительно около 8 тыс. литров гелия-3 в год получают из распада запасов трития в США [10] . В связи с растущей нехваткой гелия-3 рассматривались такие ранее экономически нецелесообразные возможности его производства, как получение в водных ядерных реакторах, выделение из продуктов работы тяжеловодных ядерных реакторов, производство трития или гелия-3 на ускорителях частиц, экстракция естественного гелия-3 из природного газа или атмосферы [11]

Стоимость [ править | править код ]

Средняя цена гелия-3 в 2009 году составляла, по некоторым оценкам, порядка 930 USD за литр [12] .

Планы добычи гелия-3 на Луне [ править | править код ]

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце, и в некотором количестве содержится в солнечном ветре и межпланетной среде. Попадающий в атмосферу Земли из межпланетного пространства гелий-3 быстро диссипирует обратно [13] , его концентрация в атмосфере чрезвычайно низка [14]

Луна, у которой нет атмосферы, сохраняет значительные количества гелия-3 в поверхностном слое, по отдельным оценкам до 500 тыс. тонн [15] , по другим — около 2,5 млн тонн [16] .

Гипотетически, при термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти [17] (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 (по максимальным оценкам) могло бы хватить примерно на пять тысячелетий [17] . Основной проблемой (если проигнорировать проблему реализуемости управляемых термоядерных реакторов с подобным горючим) остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет

1 г на 100 т. Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать на месте не менее 100 млн тонн грунта.

NASA разрабатывала эскизные проекты гипотетических установок по переработке реголита и выделению гелия-3 [18] .

В январе 2006 года глава РКК «Энергия» Николай Севастьянов заявил, что Россия планирует создать постоянную базу на Луне и отработать транспортную схему по доставке на Землю гелия-3 уже к 2015 году (при условии достаточного финансирования), а ещё через 5 лет начать промышленную добычу изотопа [19] [ значимость факта? ] . В ноябре 2018 года глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин вновь подтвердил возможность использования гелия-3 как основы для ракетного топлива [20] . Одновременно с Дмитрием Рогозиным академик РАН Лев Зелёный заявил о практической бесполезности добычи гелия-3 [21] .

Использование [ править | править код ]

Бо́льшая часть производимого в мире гелия-3 используется для наполнения газовых детекторов нейтронов. Остальные применения пока не выходят за пределы научных лабораторий [22] .

Счётчики нейтронов [ править | править код ]

Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В этих счётчиках происходит реакция

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МэВ.

Заряженные продукты реакции — тритон и протон — регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера-Мюллера.

Значительно возросшее после 2001 года производство нейтронных мониторов (для обнаружения незаконно перевозимых делящихся материалов и предотвращения ядерного терроризма) привело к сокращению запасов гелия-3; так, запасы, принадлежащие правительству США, с 1990 по 2001 год монотонно росли со 140 до 235 тыс. литров н.у., но к 2010 году уменьшились до 50 тыс. л н.у. [22]

Получение сверхнизких температур [ править | править код ]

Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур [23] .

Медицина [ править | править код ]

Поляризованный гелий-3 [7] (он может долго храниться) недавно начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения лёгких с помощью ядерного магнитного резонанса.

Гелий-3 как термоядерное топливо [ править | править код ]

Реакция 3 Не + D → 4 Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4 Не + n. К этим преимуществам относятся:

1. В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора;
2. Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе;
3. Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности;
4. При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.

Недостатком гелий-дейтериевой реакции следует считать практическую невозможность поддержания требуемых температур. При температурах менее 10 9 К термоядерная реакция слияния ядер дейтерия между собой протекает гораздо охотнее, и реакции между дейтерием и гелием-3 не происходит. При этом теплопотери за счет излучения быстро возрастают с температурой и горячая плазма будет остывать быстрее, чем сможет восполнять потери энергии за счет термоядерных реакций.

В искусстве [ править | править код ]

В фантастических произведениях (играх, фильмах, аниме) гелий-3 иногда выступает в качестве основного топлива и как ценный ресурс, добываемый в том числе на Луне.

Основой сюжета британского научно-фантастического фильма 2009 года «Луна 2112», является работа горнодобывающего комплекса компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу изотопа гелий-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле.

В политической комедии «Железное небо», лунный гелий-3 стал причиной международного ядерного конфликта за право добычи.

В аниме «Planetes» гелий-3 используется как топливо для двигателей ракет и т. д.

В серии игр "Mass Effect" гелий-3 используется в качестве топлива для космических кораблей

В фантастической саге Иена Макдональда "Луна" гелий-3 используется как топливо для термоядерных установок.

Лунная база

Возрождение интереса к Луне связано с развитием космонавтики за пределы околоземного пространства, необходимостью освоения лунной поверхности для решения различных проблем земной цивилизации: 1) истощение запаса жизненно необходимых природных ресурсов на Земле; 2) загрязнение Земли экологически опасными производствами; 3) поиск альтернативных источников сырья и энергии); 4) наконец стремлением астрономов вынести телескопы за атмосферу на устойчивую поверхность Луны. Цели Лунной Базы положены в основу перспективных, долгосрочных планов освоения Луны и целого ряда связанных с этим направлений науки и техники. Прежде всего – это исследования самой Луны. До сих пор остаются неясными вопросы происхождения и ранней эволюции Луны, недостаточно изучено внутреннее строение, состав и структура ядра, коры Луны. Исследования лунного поверхностного слоя может дать информацию и о событиях в истории Земли, Солнца и всей солнечной системы.

Лунная база позволит также снять технические и производственные проблемы, решение которых выгоднее осуществить на Луне, чем на Земле и на космических станциях. К ним относятся: получение альтернативных источников энергии (солнечные энергетические установки, термоядерные электростанции на лунных запасах гелия-3), ракетного топлива на основе кислорода и водорода, полученных из лунного грунта, а также таких необходимых материалов как кремний, титан, железо и др. Представляется эффективным использование ЛБ в качестве промежуточного космодрома, в частности для обеспечения топливом ракетно-космических систем как местного (околоземные и окололунные орбиты), так и дальнего следования (межпланетные орбиты – Марс!). Следует отметить, что доставка грузов с Земли на лунную поверхность требует меньших энергетических затрат, чем, например, доставка того же груза на геостационарную орбиту.

Гелий-3 как ядерное топливоРеакция 3 Не + D → 4 Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4 Не + n. К этим преимуществам относятся:

1) В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора; 2) Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе; 3) Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности; 4) При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.

К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в миллиард градусов, чтобы она могла начаться. В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников, а создаётся искусственно, при распаде трития. Последний производился для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах.

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце. На Земле его производят на радиохимических предприятиях в количествах, исчисляемых тысячами литров в год: так, промышленное производство гелия-3 в США составило около 8 тысяч литров в 2010 году при стоимости порядка 2150 долларов за литр. Другое дело — Луна, у которой нет атмосферы. В результате, этого ценного вещества там находится до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн [5] ). При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти [6] (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет

1 г на 100 т. Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать не менее 100 млн тонн грунта.

Присутствие гелия-3 на Луне США (NASA) считают серьёзным поводом к освоению спутника. При этом первый полёт туда NASA планирует осуществить не раньше 2018 года. Китай и Япония также запланировали создание лунных баз, но это, скорее всего, произойдёт в 2020-х годах. Создание станции — не только вопрос науки и государственного престижа, но и коммерческой выгоды. Гелий-3 — это редкий изотоп, стоимостью приблизительно 1200 долларов США за литр газа, а на Луне его — миллионы килограммов (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн). Гелий-3 нужен в ядерной энергетике — для запуска термоядерной реакции. Гелий-3 можно будет применять в термоядерных реакторах. Чтобы обеспечивать энергией всё население Земли в течение года, по подсчётам учёных Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, необходимо приблизительно 30 тонн гелия-3. Стоимость его доставки на Землю будет в десятки раз меньше, чем у вырабатываемой сейчас электроэнергии на атомных электростанциях. При использовании гелия-3 не возникает долгоживущих радиоактивных отходов, и поэтому проблема их захоронения, так остро стоящая при эксплуатации реакторов на делении тяжёлых ядер, отпадает сама собой.

Однако существует и серьёзная критика этих планов. Дело в том, что для зажигания термоядерной реакции дейтерий+гелий-3 необходимо нагреть изотопы до температуры в миллиард градусов и решить задачу удержания нагретой до такой температуры плазмы. Современный технологический уровень позволяет удержать плазму, нагретую лишь до нескольких сотен миллионов градусов в реакции дейтерий+тритий, при этом почти вся энергия, полученная в ходе термоядерной реакции, затрачивается на удержание плазмы. Поэтому реакторы на гелии-3 многими ведущими учёными, например, академиком Роальдом Сагдеевым, считают делом отдалённого будущего. Более реальным с их точки зрения является разработка на Луне кислорода, металлургия, создание и запуск космических аппаратов, в том числе ИСЗ, межпланетных станций и пилотируемых кораблей.

Наконец, создание обитаемой, постоянно действующей лунной базы является первым опытом распространения человеческой цивилизации на другие планеты. Исследование неизвестных проблем и возможностей организации жизни и деятельности является совершенно новым шагом в освоении космического пространства (Луны, тел Солнечной системы). Создание ЛБ можно рассматривать в качестве нового необходимого шага в создании инфраструктуры современной и будущей цивилизации.

Широкий спектр научно-прикладных исследований предоставляет ЛБ в области астрономии, где возможны наблюдения по всей полосе электромагнитных излучений практически недоступные с Земли посредством телескопов, весовые деформации которых на Земле слишком велики. Наблюдения с Луны позволяют реализовать предельные астрономические параметры, например, координатную точность до одной угловой микросекунды, что недостижимо наземными средствами. С ЛБ можно проводить мониторинг Земли, Солнца, а также кометно-астероидную службу.

Луна имеет хорошие условия для размещения на ней телескопов, предназначенных для раннего обнаружения и сопровождения астероидов АСЗ. Представляющие опасность АСЗ размером 0.1-1км можно обнаружить заранее, на расстояниях до нескольких астрономических единиц посредством телескопов, расположенных на поверхности Луны. Каталогизация таких малоразмерных АСЗ численностью до 500 тысяч обьектов представляет большое значение, поскольку столкновение любого из них с Землей – это реальная угроза человечеству. Раннее обнаружение АСЗ с Луны позволит осуществить необходимые мероприятия по предотвращению возможной астероидной опасности.В программах космических агенств, например японской NASDA, присутствуют проекты размещения на Луне телескопов с целью проведения регулярных наблюдений и изучения движения известных астероидов для уточнения их орбит и условий сближения их с Землей, также для поиска других АСЗ и изучения эволюции их орбит.

Условия работы лунной базы

Условия, в которых будет существовать и функционировать ЛБ достаточно известны из астрономических наблюдений и прямых исследований на Луне и широко опубликованы. Отметим лишь некоторые, имеющие техническое значение для создания структуры ЛБ.

Большие температурные перепады (около 300°С, что в 20 раз больше земных – 15°С) требуют надежной термической защиты, поскольку днем на лунной поверхности +127°С, а ночью -173°С. Хотя длительный суточный период (30 дней) уменьшает скорость и частоту изменения температуры.

Из-за наличия внешнего высокого вакуума внутреннее давление в любой постройке на Луне создает нагрузки на боковые стенки в десятки раз большие, чем на Земле. При отсутствии атмосферы должна быть обеспечена радиационная защита от космических лучей галактического и солнечного происхождения, от корпускулярного и микрометеоритного воздействия. Но слой лунного поверхностного материала (реголита) толщиной около 3-х метров вполне обеспечит эту защиту. С другой стороны отсутствие атмосферы исключает такие погодные явления земного типа, как ветер, дождь, лед и пр. Безводные условия затормаживают коррозию материалов, с другой стороны при отсутствии воды мешают проведению некоторых технологических процессов.

Лунный грунт (реголит) – мелко раздробленное вещество с последующим слипанием, чрезвычайно пористая порода с низкой теплопроводностью. На глубине около 30 см температура, примерно, -20°С и постоянна в диапазоне 2°-4°С. Реголит покрывает поверхность слоем от одного до десяти метров. Мельчайшие фракции реголита представляют пыль, которая уменьшает сцепление ходовых частей транспортных средств с лунным грунтом, создает пылевое загрязнение естественного (метеориты) или искусственного (человеческая деятельность) происхождения. Лунная поверхность имеет очень низкую сейсмичность по сравнению с земной – до 500 лунотрясений силой 1-3 баллов по шкале Рихтера в год, в то время как на Земле – до 10 тыс. явлений такой же балльности, не включая более сильных . Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше земной, что облегчает вертикальные перемещения грузов, уменьшает механические деформации конструкций значительных размеров, однако уменьшает возможности анкеров и фундаментов.

Удаленность Луны от Земли на расстояние до 386 000 километров создает задержку сигналов при связи, примерно, в 2.6 секунды – это имеет значение при управлении лунными механизмами телеоператором с Земли. Удаленность определяет также и высокую стоимость доставки грузов на Луну, отсюда рекомендации использовать при создании ЛБ лунные материалы.

Выбор места расположения лунной базы

Для каждого из рассмотренных научно-технических направлений существуют свои требования к выбору расположения ЛБ с учетом этапа освоения или режима функционирования базы. В любом случае необходимо стремиться к тому, чтобы наибольшее число условий выполнялось или было согласовано между собой с целью выбора оптимального варианта расположения ЛБ.

Для ЛБ первого поколения (начальный этап, ограниченное количество задач при минимальных расходах, предпочтение автоматических режимов работ и т.п.) наиболее целесообразно размещение одной базы в экваториальной области видимой части Луны, что обеспечит выполнение наибольшего количества научных, производственных и транспортных задач. В этом случае, имеется достаточно преимуществ: доставка грузов на Луну выполняется с минимальными энергетическими затратами на взлет – посадку транспортных ракетных систем; для проведения некоторых технологических процессов, требующих нагрева до высоких температур можно использовать эффект нагрева лунной поверхности солнечным излучением; прямая видимость ЛБ с Земли обеспечивает постоянную связь между ними, изучение района ЛБ наземными средствами и наоборот, земной мониторинг Земли с ЛБ.

Для выполнения астрономических наблюдений критерии выбора места расположения лунной обсерватории (ЛО) более жесткие и зачастую противоположные для разных областей астрономии. Для наблюдения как можно большей части небесной сферы подходит расположение ЛО по широте на лунном экваторе. А ее размещение в зоне 8-10 градусов по долготе рядом с лимбом, когда изображение Земли находится близко к лунному горизонту, существенно ослабляет влияние ее излучения (температура, около, 30 О С) на телескопы, а также позволяет на доступном расстоянии (около 600 км) на обратной стороне Луны расположить радиотелескопы. Дело в том, что в этом случае радиотелескопы полностью экранированы от разного вида электромагнитных излучений Земли. В этом смысле обратная сторона Луна является уникальным местом во всей внутренней Солнечной системе для радиоастрономических исследований.

В целом, потребности ЛО должны обеспечиваться возможностями лунной базы и ЛО должна располагаться достаточно близко к лунной базе, чтобы использовать ее инфраструктуру. Вместе с тем ЛО должна находиться на удалении по крайней мере нескольких километров от лунной базы для избежания влияния пыли, освещения и вибраций на астрономические наблюдения. Необходимо размещать ЛО на ровной площадке (плоские поверхности кратеров) для осуществления взаимного визирования телескопов – в случае использования схемы интерферометра с базой – в оптическом диапазоне до нескольких километров, в радиодиапазоне до 100-200 километров. Реально, кривизна лунной поверхности обеспечивает прямую видимость телескопов до 3-5 км, для связи на больших расстояниях необходимо использовать ретрансляторы.

Имеет существенное преимущество и расположение ЛО в полярных областях. В этом случае размещение телескопов в постоянной тени кратеров создает стабильный температурный режим пассивного охлаждения, порядка 40 О К. Это особенно важно для исследований в области инфракрасной/субмиллиметровой астрономии. Кроме того, по последним данным в полярных областях обнаружены запасы водяного льда, что представляет дополнительный интерес для создания там лунной базы.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Горсточка грунта, которая была подобрана на гребне лунного кратера Камелот, соскользнула с обычного совка в специальный тефлоновый пакет и вместе с командой «Аполлона-17» отправилась на Землю. В тот день, 13 декабря 1972 года, мало кто мог представить, что образец лунного грунта под номером 75501, а также образцы грунта, доставленные «Апполоном-11» и рядом других экспедиций, в том числе и советской исследовательской станцией «Луна-16», послужит весомым аргументом, для того чтобы в XXI веке человечество решило вернуться на Луну. Осознание этого пришло только через 30 лет, когда молодые ученые из университета штата Висконсин в образце лунного грунта нашли существенное содержание гелия-3. Это очень интересное вещество является изотопом хорошо известного всем газа – гелия, которым во время праздников заправляют разноцветные воздушные шары.

Еще до проведения СССР и США лунных миссий небольшое количество гелия-3 было найдено и на нашей планете, тогда данный факт уже заинтересовал научное сообщество. Гелий-3, обладающий уникальным внутриатомным строением, обещал ученым фантастические перспективы. Если удастся использовать гелий-3 в реакции ядерного синтеза, можно будет получить колоссальное количество электроэнергии, не утопая при этом в опасных радиоактивных отходах, которые производятся на АЭС независимо от нашего желания. Добыча гелия-3 на Луне и последующая его доставка на Землю – это задача не из легких, но при этом те, кто ввяжутся в эту авантюру, могут стать обладателем сногсшибательного вознаграждения. Гелий-3 – это то вещество, которое сможет навсегда избавить мир от «наркотической зависимости» – ископаемого топлива, нефтяной иглы.

На Земле гелия-3 фатально не хватает. Огромное количество гелия зарождается на Солнце, но малую его долю составляет гелий-3, а основную массу – гораздо более часто встречающийся гелий-4. Пока данные изотопы движутся в составе «солнечного ветра» к Земле, оба изотопа претерпевают изменения. Столь драгоценный для землян гелий-3 не достигает нашей планеты, так как он отбрасывается прочь магнитным полем Земли. В то же время на Луне магнитное поле отсутствует и здесь гелий-3 может свободно накапливаться в поверхностном слое грунта.

В наши дни ученые рассматривают наш естественный спутник не только как естественную астрономическую обсерваторию и источник энергоресурсов, но и как будущий запасной континент для землян. При этом именно неисчерпаемый источник космического топлива наиболее привлекателен и перспективен. Новый возможный континент для землян находится на удалении всего в 380 тысяч километров от нашей планеты, при какой-то глобальной катастрофе на Земле здесь вполне могло бы найтись укрытие для людей. С Луны без особых помех можно наблюдать за другими небесными объектами, так на Земле этому в некоторой степени мешает атмосфера. Но главное – это неисчерпаемые запасы энергии, которой, по подсчетам ученых, для человечества хватило бы на 15 000 лет. Помимо этого на Луне есть запасы редких металлов: титана, бария, алюминия, циркония и это не все, считают ученые. Сегодня человечество находится лишь в самом начале пути по освоению Луны.

В настоящее время КНР, Индия, США, Россия, Япония – все эти государства находятся в очереди к Луне, и этих стран становится все больше. Очередной всплеск интереса к Луне возник еще в середине 90-х годов прошлого века. Тогда в научном сообществе возникло предположение о том, что на Луне может быть вода. Не так давно американский зонд «LRO» с российским прибором «Lend» это окончательно подтвердили – на Луне действительно есть вода (в виде льда на дне кратеров) и ее здесь немало (до 600 млн. тонн), а это решает множество проблем.

Наличие на Луне воды особенно ценно, так как способно решить большое количество различных проблем, которые возникнут при постройке лунных баз. Воду не придется доставлять с Земли, ее можно будет перерабатывать непосредственно на месте, отмечает Игорь Митрофанов – заведующий лабораторией космической гамма-спектроскопии ИКИ. По некоторым расчетам, при должном желании и финансировании человечество могло бы обосноваться на нашем естественном спутнике уже через 15 лет. При этом, скорее всего, первые обитатели Луны жили бы на ее полюсах вблизи больших запасов обнаруженной воды.

Однако ко многому на Луне пришлось бы привыкать по новой – даже к такому процессу, как ходьба. По Луне гораздо проще прыгать, в том, что гравитация здесь в 6 раз меньше, чем на Земле, в свое время убедился еще Нэйл Армстронг, когда 40 лет назад впервые ступил на поверхность данного небесного тела. При этом главным врагом человека на Луне в настоящее время является радиация, вариантов спасения от которой не так много. По словам Льва Зеленого директора Института космических исследований РАН, на нашем естественном спутнике нет магнитного поля. На Луну попадает вся радиация от Солнца и защититься от нее достаточно сложно.

При этом то, что Луна должна стать первой ступенью для продвижения человека в космосе – это бесспорный факт, считает Лев Зеленый. По его словам, Луна может стать перевалочной базой для стартов к другим планетам солнечной системы. Также здесь можно будет разместить станцию раннего оповещения о приближения к Земле опасных космических объектов: комет и астероидов, что достаточно важно в свете последних событий. Однако самое важное, что там есть – это гелий-3, возможно, космическое топливо будущего. Трудно поверить, но темно-серая пыль, которой выстлана вся поверхность Луны – это кладовая данного уникального вещества.

Нефть и газ на планете не вечны. По оценкам ряда экспертов, без особых проблем человечество проживет на этих ресурсах порядка 40 лет. На сегодняшний день единственной альтернативой выступают атомные станции, но это не так безопасно из-за радиации. В то же время термоядерная реакция с участием гелия-3 является экологически чистой. По словам ученых, ничего лучшего пока не придумано и на это есть как минимум 2 причины. Во-первых, это очень эффективное термоядерное топливо, а во-вторых, что еще более ценно, оно является экологически чистым, отмечает Эрик Галимов – директор Института Геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского.

По подсчетам Владислава Шевченко – заведующего отделом исследований Луны и планет Государственного астрономического института МГУ, имеющихся на естественном спутнике Земли запасов гелия-3 хватит на тысячи лет вперед. По оценкам специалистов минимальный объем гелия-3 на Луне составляется около 500 тысяч тонн, по более оптимистичным оценкам его там не менее 10 млн. тонн. При реакции термоядерного синтеза, когда в реакцию вступает 0,67 тонны дейтерия и 1 тонна гелия-3 выделяется энергия, которая эквивалентна энергии сгорания 15 млн. тонн нефти. При этом стоит отметить тот факт, что в настоящее время еще необходимо изучить техническую возможность осуществления подобных реакций.

Да и добыча этого вещества на Луне не будет легкой. Хотя гелий-3 расположен в поверхностном слое, концентрация его в нем очень низкая. Основной проблемой на данный момент времени остается реальность добычи гелия из лунного реголита. Содержание необходимого энергетике гелия-3 составляет примерно 1 грамм на 100 тонн лунного грунта. А это значит, что для добычи 1 тонны данного изотопа потребуется переработать не менее 100 млн. тонн лунного грунта.

При этом гелий-3 придется отделять от ненужного гелия-4, концентрация которого в реголите в 3 тысячи раз больше. По словам Эрика Галимова, для того чтобы добыть на луне 1 тонну гелия-3 потребуется, как уже было сказано выше, переработать 100 млн. тонн лунного грунта. Речь идет об участке Луны общей площадью порядка 20 квадратных километров, который надо будет переработать на глубину в 3 метра! При этом сама процедура доставки на Землю 1 тонны данного топлива обойдется в сумму не менее 100 млн. долларов. Но фактически даже эта очень большая сумма составляет лишь 1% от стоимости энергии, которую можно будет извлечь на термоядерной электростанции из данного сырья.

По оценкам Шевченко, стоимость добычи 1 тонны гелия-3 с учетом создания всей необходимой инфраструктуры по его добыче и доставке на Землю может составить 1 млрд. долларов. При этом транспортировка на Землю 25 тонн гелия-3 обойдется нам в 25 млрд. долларов, что не такая уж и большая сумма, если учесть, что такого масштаба топлива хватит для того, чтобы обеспечить землян энергией на целый год. Выгода от такого энергоносителя становится очевидной, если подсчитать, что только США в год на энергоносители расходуют порядка 40 млрд. долларов.

По расчетам, сделанным американским астронавтом Харрисоном Шмиттом, применение гелия-3 в земной энергетике, учитывая все расходы на доставку и добычу, становятся окупаемыми и коммерчески выгодными, когда производство термоядерной энергии с помощью данного сырья будет превышать мощность в 5 ГВт. Фактически это говорит о том, что даже 1 электростанции, работающей на лунном топливе, будет достаточно для того, чтобы сделать доставку на Землю рентабельной. По оценкам Шмитта, сумма предварительных расходов еще на стадии исследований составит около 15 млрд. долларов.

Один из возможных вариантов добычи гелия-3 предложил Эрик Галимов. Для того чтобы организовать добычу изотопа из лунной поверхности, он предлагает нагреть реголит до 700 градусов Цельсия. После этого его можно будет сжижать и извлекать на поверхность. С точки зрения современных технологий эти процедуры достаточно просты и хорошо известны. Российский ученый предлагает нагревать сырье в специальных «солнечных печах», которые при помощи больших вогнутых зеркал будут фокусировать на реголите солнечный свет. При этом из лунного грунта можно будет выделить содержащиеся в нем: кислород, водород и азот. А это значит, что лунная промышленность могла бы изготавливать не только сырье для земного энергетического комплекса, но и ракетное топливо, для перевозящих его ракет, а также воздух и воду для работающих на лунных предприятиях людей. В настоящее время в США также работают над аналогичными проектами.

Но и это еще не все, что может дать нам лунный грунт. В реголите находится большое содержание титана, что в отдаленной перспективе поможет наладить производство элементов корпусов ракет и промышленных конструкций прямо на естественном спутнике Земли. В этом случае на Луну придется доставлять лишь высокотехнологичные элементы ракет, компьютеры и приборы. А это может открыть второе перспективное направление для всей лунной экономики – постройку наиболее экономичного космодрома, научной базы для исследования всей Солнечной системы.

Источники информации:
-http://www.vesti.ru/doc.html? >-http://www.popmech.ru/article/4098-lunnyie-sokrovischa
-http://vzglyadzagran.ru/news/sverxderzhavy-rodyatsya-na-lune-gelij-3.html
-http://ria.ru/science/20120725/709192459.html

Заметили ош Ы бку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter