Добыча гелия 3 на луне. Гелий-три — энергия будущего

Нужно понять, что сегодня исследование Солнечной системы, изучение внеземного вещества, химического строения Луны и планет, поиск внеземных форм жизни, понимание физики Вселенной — это передовая линия фундаментальной науки. Современные космические исследования следует рассматривать не как одно из направлений или разделов науки, а как этап развития науки. Без результатов, полученных в космических исследованиях, неполноценны ни физика, ни биология, ни химия, ни геологические науки.

Отступление на задний план страны, имеющей богатый опыт и традиции космических исследований, не может не вызывать тревогу и желание понять причины.

Э. М. Галимов

Гелий 3 - мифическое топливо будущего

Наверное мало чего в области термоядерной энергетики окружено мифами, как Гелий 3. В 80х-90х он был активно популяризирован, как топливо, которое решит все проблемы управляемого термоядерного синтеза, а так же как один из поводов выбраться с Земли (т.к. на земле его буквально считанные сотни килограмм, а на луне миллиард тонн) и заняться, наконец, освоением Солнечной системы. Все это базируется на очень странных представлениях о возможностях, проблемах и потребностях несуществующей сегодня термоядерной энергетики, о чем мы и поговорим

Помните, я писал, что магниты тороидального поля ИТЭР, которые создают противодавление плазме - абсолютно рекордные изделия, единственные по параметрам в мире? Так вот, поклонники He3 предлагают сделать магниты в 500 раз мощнее.

Добыча гелия-3 на Луне обеспечит землян энергией на 5 тыс лет

Имеющиеся на Луне запасы гелия-3 могут обеспечить землян энергией на пять тысяч лет вперед, заявил в среду на мультимедийной лекции в РИА Новости доктор физико-математических наук, заведующий отделом исследований Луны и планет Государственного астрономического института МГУ им. Ломоносова Владислав Шевченко.

Возможности обеспечения жителей Земли энергоносителями небезграничны, их запасы на нашей планете будут исчерпаны в ближайшие столетия. Вместе с тем, в США уже подсчитали, что имеющиеся на Луне запасы гелия-3 могут обеспечить землян энергией, как минимум, на пять тысяч лет вперед, - сказал Шевченко.

Да, стоимость одной тонны гелия-3 составит примерно миллиард долларов при том, что будет создана необходимая инфраструктура добычи и доставки с Луны. Но при этом 25 тонн - а это всего 25 миллиардов долларов, что не так уж много в масштабах государств нашей планеты - хватит для обеспечения энергией землян в течение года. В настоящее время в год только США тратит на энергоносители примерно 40 миллиардов долларов. Выгода очевидна, - отметил Шевченко.

По его словам, в ближайшем будущем партнерам по Международной космической станции (МКС) следует постепенно переходить от ее эксплуатации к созданию Международной лунной станции (МЛС). Наш путь сейчас - от МКС к МЛС. Получим большую практическую пользу, - заключил ученый.

В настоящее время изотоп гелий-3 на Земле добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов в год.

На Луне же запасы этого ценного изотопа составляют, по минимальным оценкам, около 500 тысяч тонн. При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию примерно 15 миллионов тонн нефти.

В интервью газете «Труд» академик Роальд Зиннурович Сагдеев назвал, сенсацию, поднятую вокруг добычи гелия-3 на Луне. не стоящей и выеденного яйца.

Академик Сагдеев сказал, что на недавно прошедших 30-х Королёвских чтениях тон задавали сторонники лунных проектов, которые доказывали, что добыча гелия-3 на Луне выгодная и перспективная задача. Считается, что термоядерные реакторы. работающие на гелии-3, обеспечат человечество энергией на тысячелетия.

Планы создания базы на Луне к 2015 году и добыча и транспортировка гелия-3, которые были представлены на чтениях— совершенно нереальны. Да и гелий-3 понадобится не ранее чем через 80— 100 лет.

Академик Сагдеев сказал, что всё еще не существуют реакторы, работающие на дейтерии и тритии. Хотя, запасы дейтерия в морской воде практически неограничены. Для создания термоядерного реактора, работающего на гелии-3, понадобится ещё около 100 лет. «Словом, построение гелиевого реактора— задача даже не XXI, а XXII века»— говорит Сагдеев.

Поэтому планы создания базы на Луне и добыча там гелия-3— это иллюзия: «На самом деле вся эта шумиха, связанная с предложением добывать гелий-3 на Луне, не стоит и выеденного яйца».

Слова Сагдеева из интервью: «Когда о добыче гелия-3 на Луне рассказывает, например, руководитель РКК „Энергия“ Николай Севастьянов, я внутренне улыбаюсь и даже где-то сочувствую такому увлеченному человеку, оказавшемуся, как это ни удивительно, в плену иллюзий».

Гелий-3 был открыт австралийским ученым Марком Олифантом, во время работы в Кембриджском университете.

Применение 3 He

Гелий-3 применяется при исследовании термоядерного синтеза. Он является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце. На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год. Причиной тому служит наша атмосфера. способствующая процессам реакции Гелия-3 с другими веществами. При термоядерном синтезе 1 тонны гелия-3 высвобождается энергия, равная 15 млн. т. нефти.

Запасы 3 He на Земле

На Земле его запасы приблизительно оцениваются в 500 -1000 килограмм и крайне распылены в атмосфере и горных породах.

Запасы 3 He на Луне

Лунные ресурсы Гелия-3 весьма велики и их должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой остаётся то, что управляемый термоядерный синтез до сих пор неосуществлён, и по самым оптимистическом прогнозам, возможность коммерческого использования наступит не раньше 2050 года.

Источники: znaniya-sila.narod.ru, hodar.ru, ria.ru, ru.wikinews.org, traditio-ru.org

Святая гора Афон

Исаакиевский собор – история сбывшихся пророчеств

Древние технологии

Рыцари Тевтонского ордена и современность

Тайна призраков – люди или ангелы…

Самые красивые города Италии

Что делать, если отпуск уже позади, а вы не успели вдоволь насладиться отдыхом и только ещё сильнее разожгли в...

Сирия

Сирия - страна, которую часто называют «машиной времени», так как здесь собрано огромное количество уникальных и древних архитектурных памятников, ...

Как выбрать мужской пуховик

Практичным, а главное, теплым вариантом верхней одежды по праву считаются мужские пуховики. Такая одежда не только защищает от сильного холода, ...

Психотронные генераторы

В годы, когда только началась проработка золотовской программы, а это были 1989-1990 гг. отмеченные максимумом проявлений НЛО и прочих аномальных явлений, ...

Тинмут Электрон

Исчезновение судов в районе Бермудского треугольника часто связывают с их износом. Во всяком случае, такое мнение нельзя не учитывать в случае, ...

Превращение НЛО

Наиболее интригующим свойством неопознанных летающих объектов является изменение их размеров и формы. Особенно интересным является способность объектов разделяться на...

Двигатель для российского космического самолета

Комбинированный двигатель с камерой пульсирующего горения должен работать и в атмосфере, и в космосе. Патрулирующий воздушное пространство самолет может...

Пройдет совсем немного времени, по меркам жизни человеческой цивилизации, как ископаемые природные богатства будут исчерпаны. Среди возможных кандидатур на замену нефти и газа называют то энергию солнца, то силу ветра, то водород. В последние годы все чаще можно услышать о новом спасении для планеты под названием гелий-3 . Что это вещество можно использовать в качестве сырья для электростанций, додумались относительно недавно.

Общие данные о веществе: свойства

В 1934 оду австралийский физик Марк Олифант, во время работы в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в Англии пришел к замечательному открытию. В ходе первой демонстрации ядерного синтеза при бомбардировке дейтронной мишени, он выдвинул гипотезу о существовании нового изотопа химического элемента под номером 2. Сегодня он же известен как гелий-3.

Он обладает следующими свойствами :

Содержит два протона, один нейтрон и два электрона;
Среди всех известных элементов он является единственным стабильным изотопом, который имеет больше протонов, чем нейтронов;
Кипит при 3,19 по Кельвину (-269,96 градусов Цельсия). Во время кипения вещество теряет половину своей плотности;
Момент импульса равен ½, что делает его фермионом;
Скрытая теплота парообразования составляет 0,026 КДж/Моль;

Спустя пять лет после открытия Марка Олифанта его теоретические построения получили экспериментальное подтверждение. А еще спустя 9 лет ученым удалось получить соединение в жидком виде . Как оказалось, в таком агрегатном состоянии гелий-3 обладает сверхтекучими свойствами.

Другими словами, при температурах, близких к абсолютному нулю, он способен проникать сквозь капилляры и узкие щели, практически не испытывая противодействия силы трения.

Добыча гелия-3 на Луне

Солнечный ветер на протяжении миллиардов лет нанес в поверхностный слой реголита гигантское количество гелия-3. Согласно оценкам, его количество на земном спутнике может достигать 10 миллионов тонн.

Многие космические державы имеют программу добычи этого вещества для целей последующего термоядерного синтеза:

В январе 2006 года российская компания «Энергия» заявила о планах начать геологические работы на Луне к 2020 году. Сегодня будущее проекта находится в подвешенном состоянии, из-за тяжелого экономического положения страны;
В 2008 году Индийская организация космических исследований отправила к поверхности земного спутника зонд, одной из целей которого было заявлено изучение гелий-содержащих минералов;
Собственные виды на залежи драгоценного сырья имеет и Китай. Согласно планам, предполагается отправлять к спутнику ежегодно три челнока. Энергия, произведенная из этого топлива, с лихвой покроет потребности всего человечества.

Пока остается мечтой, которую можно увидеть разве что в научно-фантастических лентах. Среди них - «Луна» (2009) и «Железное небо» (2012).

В данном видео физик Борис Романов расскажет, в каком виде находится вещество гелий-3 на Луне, возможно ли его оттуда импортировать:

Геохимические данные

Изотоп также присутствует на планете Земля, хотя и в меньших количествах:

Это главная составляющая земной мантии, которая была синтезирована еще во время планетообразования. Совокупная ее масса в этой части планеты составляет, по различным оценкам, от 0,1 до 1 миллиона тонн;
На поверхность он выходит в результате деятельности вулканов. Так, сопки Гавайских островов выделяют около 300 граммов этого вещества в год. Срединно-океанические хребты - около 3 килограммов;
В местах наезда одной литосферной плиты на другую могут находиться сотни тысяч тонн гелиевого изотопа. Извлечь это богатство промышленным способом на современном этапе технологического развития не представляется возможным;
Природа продолжает производство данного соединения до сих пор, в результате распада радиоактивных элементов в коре и мантии;
В довольно небольших количествах (до 0,5%) его можно найти в некоторых источниках природного газа. Как отмечают эксперты, ежегодно в процессе транспортировки природного газа происходит отделение 26 м 3 гелия-3;
Также он присутствует в земной атмосфере. Удельная доля его составляет приблизительно 7,2 частей на триллион атомов прочих газов атмосферы. Согласно последним подсчетам, общая масса атмосферного 3 2 he достигает минимум 37 тысяч тонн.

Современное использование вещества

Практически весь используемый в народном хозяйстве изотоп получают путем радиоактивного распада трития, который бомбардируют нейтронами лития-6 в ядерном реакторе.

На протяжении десятков лет гелий-3 был всего-навсего побочным продуктом при изготовлении боеголовок атомного оружия . Однако после подписания договора СНВ-1 в 1991 году сверхдержавы снизили объемы изготовления ракет, из-за чего продукты производства также пошли на убыль.

Сегодня масштабы производства изотопа находятся на подъеме, поскольку ему нашли новое применение:

Благодаря относительно высокому гиромагнитному соотношению, частицы этого вещества применяются при медицинской томографии легких. Пациент вдыхает газовую смесь, содержащую гиперполяризованные атомы гелия-3. Затем под воздействием лазерного излучения инфракрасного диапазона компьютер рисует анатомические и функциональные изображения органов;
В научных лабораториях данное соединение используется в криогенных целях. Путем его испарения с поверхности холодильника удается достичь значений, близких к 0,2 кельвина;
В последние годы набирает популярность идея использования вещества в качестве сырья для электростанций. Первая подобная установка была построена в 2010 году в долине Теннеси (США).

Гелий-3 как топливо

Второй, пересмотренный подход к использованию контролируемой термоядерной энергии предполагает использование в качестве сырья 3 2 he и дейтерия. Результатом такой реакции будет ион гелия-4 и высокоэнергетические протоны.

Теоретически данная технология обладает такими преимуществами:

Высокий КПД, поскольку для контроля за слиянием ионов используется электростатическое поле. Кинетическая энергия протонов напрямую преобразуется в электричество за счет твердотельного преобразования. Нет необходимости строить турбины, которые используются в АЭС для превращения энергии протонов в тепло;
Более низкие, в сравнении с прочими типами электростанций, капитальные и эксплуатационные затраты;
Ни воздух, ни вода не загрязняются;
Относительно малые габариты благодаря использованию современных компактных установок;
Отсутствует радиоактивное топливо.

Однако критики отмечают значительную «сырость» такого решения. В самом лучшем случае коммерческое использование термоядерного синтеза начнется не ранее 2050 года .

Среди всех изотопов химического элемента с порядковым номером 2 особняком стоит гелий-3. Что это, вкратце можно описать следующими свойствами: он стабилен (то есть не испытывает превращений в результате излучения), обладает сверхтекучими свойствами в жидком виде, имеет относительно малую массу.

Видео про образование гелия-3 во Вселенной

В данном ролике физик Даниил Потапов расскажет, как во Вселенной образовался гелий-3, какую роль в формировании вселенной он играл:

Наверное мало чего в области термоядерной энергетики окружено мифами, как Гелий 3. В 80х-90х он был активно популяризирован, как топливо, которое решит все проблемы управляемого термоядерного синтеза, а так же как один из поводов выбраться с Земли (т.к. на земле его буквально считанные сотни килограмм, а на луне миллиард тонн) и заняться, наконец, освоением солнечной системы. Все это базируется на очень странных представлениях о возможностях, проблемах и потребностях несуществующей сегодня термоядерной энергетики, о чем мы и поговорим.

Машина для добычи гелия3 на луне уже готова, дело за малым - найти ему применение.

Когда говорят про гелий3, то имеют в виду реакции термоядерного слияния He3 + D -> He4 + H или He3 + He3 -> 2He4 + 2H . По сравнению с классической D + T -> He4 +n в продуктах реакции нет нейтронов, а значит нет активации сверхэнергичными нейтронами конструкции термоядерного реактора. Кроме того, проблемой считается тот факт, что нейтроны из “классики” уносят из плазмы 80% энергии, поэтому баланс самонагрева наступает при бОльшей температуре. Еще одним записываемым гелиевому варианту преимуществом является то, что электроэнергию можно снимать прямо с заряженных частиц реакции, а не нагревом нейтронами воды - как в старых угольных электростациях.

Так вот, все это - неправда, точнее очень маленькая часть правды.

Начнем с того, что при одинаковой плотности плазмы и оптимальной температуре реакция He3 + D даст в 40 раз меньше энерговыделение на кубометр рабочей плазмы. При этом температура, нужная для хотя бы 40 кратного разрыва будет в 10 раз выше - 100 кЭв (или один миллиард градусов ) против 10 для D +T. Сама по себе, такая температура вполне достижима (рекорд токамаков на сегодня - 50 кЭв, всего в два раза хуже), но что бы завязать энергобаланс (скорость остывания VS скорость нагрева в т.ч. самонагрева) нам нужно поднять в 50 раз энерговыделение с кубометра He3 +D реакции, что можно сделать только подняв плотность в те же в 50 раз. В сочетании с выросшей в 10 раз температурой это дает увеличение давления плазмы в 500 раз - с 3-5 атм до 1500-2500 атм, и такое же увеличение противодавления, что бы эту плазму удержать.

Зато картинки вдохновляющие.

Ок, забудем про сложности, может преимущества этой реакции их окупают?

Разные термоядерные реакции, которые применимы для УТС. He3 + D дает слегка больше энергии, чем D + T, но на преодалевание кулоновского отталкивания тратится очень много энергии (заряд 3 а не 2), поэтому реакция идет медленно.

Начнем с нейтронов. Нейтроны в промышленном реакторе будут представлять собой серьезную проблему, повреждать материалы корпуса, греть все элементы обращенные к плазме настолько, что их придется охлаждать приличным расходом воды. А главное - активация материалов нейтронами приведут к тому, что и через 10 лет после остановки термоядерного реактора у нем будет тысячи тонн радиоактивных конструкций, которые невозможно разбирать руками, и которые будут вылеживаться уже в хранилище сотни и тысячи лет. Избавление от нейтронов очевидно бы облегчило задачу создания термоядерной электростанции.

Доля энергии, уносимая нейтронами. Если добавить побольше He3 в реактор, то можно снизить ее до 1%, но это еще ужесточит условия зажигания.

Ок, ну а как насчет прямого преобразования энергии заряженных частиц в электричество? Опыты показывают, что поток ионов с энергией 100 кЭв можно преобразовать в электричество с 80% кпд. У нас же тут нет нейтронов…. ну в смысле они не уносят всю энергию, которую мы можем получить только в виде тепла - давайте избавимся от паровых турбин и поставим ионные коллекторы?

Да, технологии прямого преобразования энергии плазмы в электроэнергию есть, они активно исследовались в 60х-70х, и показали кпд в районе 50-60% (не 80, надо заметить). Однако эта идея слабо применима как в D +T реакторах, так и в He3 +D. Почему это так, помогает понять вот эта картинка.

На ней показаны потери тепла плазмой по разным каналам. Сравните D+T и D + He3. Transport - это то, что можно использовать для прямого преобразования энергии плазмы в электричество. Если в D + T варианте у нас все забирают мерзкие нейтроны, то в случае He3 + D все забирает электромагнитное излучение плазмы, в основном синхротронное и рентгеновское тормозное (на картинке Bremsstrahlung). Ситуация практически симметричная, все равно надо отводить тепло от стенок и все равно прямым преобразованием мы не может вытащить больше 10-15% энергии термоядерного горения, а остальное - по старинке, через паросиловую машину.

Иллюстрация в исследовании по прямому преобразованию энергии плазмы на крупнейшей открытой ловушке Gamma-10 в японии.

Кроме теоретических ограничений есть и инженерные - в мире (в т.ч. в СССР) были потрачены гигантские усилия на создание установок прямого преобразования энергии плазмы в электричество для обычных электростанций, что позволяло поднять кпд с 35% до 55%. В основном на базе МГД-генераторов. 30 лет работы больших коллективов закончились пшиком - ресурс установки составлял сотни часов, когда энергетикам нужны тысячи и десятки тысяч. Гигантское количество ресурсов, потраченное на эту технологию привело, в частности, к тому, что наша страна отстала в производстве энергетических газовых турбин и установок парогазотурбинного цикла (которые дают ровно такое же повышение кпд - с 35 до 55%!).

Кстати, мощные сверхпроводящие магниты нужны и для МГД-генераторов. Здесь показаны СП магниты для 30 мегаваттного МГД-генератора.

Космическая программа Поднебесной развивается очень стремительными темпами. Не так давно посадочный модуль Чанье-3 вышел из 14-й по счету стадии гибернации, и продолжил работу (не путайте с Юйту, это луноход сломался, а не посадочный модуль). Еще один аппарат китайцев, «Чанье 5-Т1» не так давно успешно вернулся на Землю .

Задача следующей миссии - забор и доставка 4 килограммов лунных пород прямо на Землю, в руки китайских ученых. Эту задачу должен выполнить еще один зонд, «Чанье 5». Зачем китайцам лунная порода? Для оценки содержания там редкого на Земле изотопа гелия - гелия-3. Еще в августе китайцы заявили, что Луна является очень перспективным источником этого изотопа, который можно использовать для проведения «чистой» термоядерной реакции.

Уже подсчитано, что всего 0,02 грамма гелия-3 в ходе реакции термоядерного синтеза выделят энергии столько, сколько выделяется энергии при полном сжигании одного барреля нефти. Журналисты DailyMail подсчитали , что 40 тонн гелия-3 хватит для обеспечения США энергией на целый год.

Основным источником гелия-3 в Солнечной системе является Солнце, которое доставляет изотоп на Луну посредством «солнечного ветра». На Землю гелий-3 почти не попадает из-за наличия у Земли магнитного поля и ионосферы. По данным издания World Security Network , стоимость добычи 1 тонны гелия-3 на Луне может составлять 3 миллиарда долларов, что является экономически выгодным. Эксперты из США считают, что общая стоимость создания инфраструктуры доставки гелия-3 на Землю (создания космических кораблей, начало работ на Луне, разработка оборудования для проведения термоядерной реакции с гелием-3) составит около 20 миллиардов долларов, продолжительность реализации такого проекта - 20 лет.

Но вернемся к китайцам. Все они - очень практичные люди, и просто так экспедицию на Луну вряд ли бы организовали. А вот гелий-3 может быть достаточным для китайцев стимулом, чтобы разработать долгосрочный проект по изучению Луны. Как видим, пока проект движется в правильном направлении. Ну, а если все получится (все же технических проблем на пути реализации проекта - более, чем достаточно - стоит только вспомнить о том, что сколько-нибудь продолжительной реакции термоядерного синтеза пока достичь не удалось), то человечество будет обеспечено энергией на 10 тысяч лет - запасы гелия-3 на Луне очень велики, и оцениваются в 10 миллионов тонн.