Гелій-3 місячний джерело енергії - світ знань
Останнім часом, особливо після того, як США посилили темпи робіт по своїй місячній програмі, все сильніше стала мусуватися тема про гелії-3, як основі ядерної енергетики майбутнього. Про даному елементі навіть знімають фантастичні фільми. Що ж таке гелій-3, де його добути і які вигоди він обіцяє людству!
Гелій-3 (³He) є одним з ізотопів гелію, в ядрі якого знаходиться один нейтрон, а не два. На Землі запаси гелію-3 складають 0,000137% від загальної кількості елементів і оцінюються в 35 тисяч тонн. Практично весь наявний гелій-3 зберігся з моменту утворення нашої планети.
Інтерес до цього ізотопу гелію посилився після того, як стало ясно, що людство впритул наблизилося до серйозного енергетичної кризи. Запаси вуглеводнів добігають кінця, і вже через кілька десятиліть ми їх повністю вичерпаємо. Альтернативні джерела енергії, такі як вітер, Сонце, припливи і відливи, геотермальна активність, не можуть покрити всіх потреб людства. Залишаються ще запаси кам'яного вугілля, яких вистачить приблизно на 200-300 років. Однак у міру того, як частка вугілля в сучасній енергетиці буде зростати, цей термін може істотно скоротитися. Крім того, процеси спалювання і видобутку вугілля серйозно б'ють по екосистемі планети.
Таким чином, єдиним джерелом енергії, якого вистачить надовго, - це енергія, заснована на поділі ядер урану. Уже сьогодні атомна енергетика займає майже 7% в світовому енергетичному балансі. І з кожним роком частка її участі зростає. Але разом з цим все серйозніше постає питання про головну проблему всіх АЕС - утилізації та зберіганні радіоактивних відходів, яких з кожним роком стає все більше. І тут ідеальним виходом було б використання палива, заснованого на реакціях термоядерного синтезу з гелієм-3.
Справа в тому, що ядерні реакції, що протікають за участю гелію-3, на відміну від інших ядерних реакцій, йдуть з виділення не нейтронів, а протонів. Нейтрони - вкрай активні частинки, вони здатні глибоко проникнути в конструкційні матеріали ядерного реактора, руйнуючи їх структуру і роблячи радіоактивними. Це призводить до того, що окремі деталі і вузли кожні кілька років доводиться міняти, щоб реактор міг працювати в штатному режимі. Крім того, виникає проблема утилізації та захоронення ядерних відходів.
Протони ж, на відміну від нейтронів, що не наводять радіоактивності і не здатні проникати всередину конструкцій. Потік протонів - це, по суті, потік водню. І матеріали, з яких створені вузли реактора, що працює на гелії-3, можуть служити десятиліттями. В цілому реакція за участю ³He в 50 разів менше радіоактивна, ніж звичайна реакція взаємодії дейтерію з тритієм (D + T).
Таким чином, головна перевага гелію-3 не стільки в його енергетичної цінності, скільки в його практично повної екологічної безпеки.
Де ж можна добувати гелій-3 в необхідних масштабах? На Землі цей ізотоп міститься в таких мізерно малих кількостях, що про його промисловий видобуток і мови бути не може. Відповідь на це питання відомий давно - на Місяці.
Те, що Місяць має величезні запаси гелію-3, стало відомо, коли перші зразки місячного ґрунту були доставлені на Землю радянськими автоматичними апаратами «Місяць» та американськими астронавтами під час виконання програми «Аполлон».
Відносна концентрація ізотопу в місячному грунті виявилася в 1000 разів вище, ніж в земних надрах. Причина цього явища криється в регулярному опроміненні поверхні Місяця корпускулярним випромінюванням Сонця. Справа в тому, що, не маючи захисту у вигляді сильного магнітного поля, поверхневий пилоподібний шар (реголіт) Місяця регулярно отримує величезну дозу опромінення. Під час цього процесу в нього впроваджується велика кількість елементів, в першу чергу ізотопи водню і гелію.
За попередніми оцінками, загальні запаси гелію-3 на Місяці складають близько мільйона тонн. Такої кількості ізотопу людству вистачило б на тисячу років. Енергетична ефектність його така, що 1 тонна гелію-3 може замінити 20 млн тонн нафти, що дозволить протягом року забезпечувати вихідну потужність АЕС в 10 ГВт. В одній тонні місячного грунту міститься 10 мг гелію-3, що відповідає енерговиділення 1 м³ нафти. Можна сказати, що поверхня Місяця являє собою суцільний океан нафти. Людству потрібно 200 тонн ³He щорічно, потреба української енергетики оцінюється в 20-30 тонн гелію-3 на рік.
Сьогодні, коли доставка навіть декількох сотень кілограмів вантажу на Місяць вважається великим досягненням, переробка мільярдів тонн місячного грунту сприймається як абсолютно фантастичний проект. Тому правильним рішенням було б не транспортування місячного грунту на Землю, а організація на самому Місяці повного циклу отримання готового ізотопу гелію-3 - починаючи від видобутку породи і закінчуючи її збагаченням.
Втім, 20 млрд тонн розкривних робіт місячного грунту тільки здаються фантастичним заходом. На Землі зараз добувають близько 5 млрд тонн вугілля в рік. Обсяг розкривних робіт земного грунту становить близько 50 млрд тонн. Тобто нинішні темпи розробки земних надр цілком порівнянні за масштабами з тим, що нас може очікувати на Місяці. Б той же час на Місяці не буде стояти проблем, пов'язаних з екологічними наслідками проведення розкривних робіт, тому загальна ефективність розробки місячного грунту може бути в кілька разів вище, ніж на Землі. Не варто забувати і про те, що сила тяжіння на Місяці в шість разів менше, ніж на Землі. Це, в свою чергу, дозволить серйозно збільшити швидкість вироблення грунту.
Що ж стосується технічної сторони питання, то земна наука і техніка досить розвинені для того, щоб почати організацію процесу перенесення частини гірничо-збагачувальної та добувної промисловості на Місяць. Звичайно, цей процес займе не один десяток років, тому чим раніше ми його почнемо, тим швидше отримаємо необхідний результат.
Уже зараз треба починати підготовчий етап, який містить в собі геологорозвідувальні та випробувальні роботи, які повинні проводитися в рамках спільних дослідницьких робіт на Місяці. Одними з перших повинні бути роботи по вивченню внутрішньої будови Місяця, заплановані в програмі «Луна-Глоб». В ході виконання цієї програми планується за допомогою хіміко-мінералогічної інтерпретації сейсмічних даних отримати дані про хімічний будові нижньої мантії Місяця, а також визначити розміри місячного ядра.
Наступним етапом робіт буде доставка фунта з Місяця на Землю. Основний упор тут потрібно зробити на безпілотні апарати, які будуть збирати зразки місячного ґрунту і доставляти їх до посадочних модулів. Крім того, місяцехід можна доручити задачу створення довготривалої мережі сейсмічних датчиків, імпульси яких дозволять отримати вичерпне уявлення про те, що відбувається в надрах Місяця. Одночасно з цим необхідно буде проводити картування місячної поверхні на предмет вмісту гелію-3.
З огляду на, що з моменту відкриття ядерних реакцій і до створення термоядерного реактора типу ІТЕР людство йшло довгих 50 років, можна припустити, що створення реактора на гелії-3 займе приблизно 20-30 років.