какое топливо есть на луне
Гелий-три — энергия будущего
Гелий-три. Странное и непонятное словосочетание. Тем не менее чем дальше, тем больше мы будем слышать его. Потому что, по мнению специалистов, именно гелий-три спасет наш мир от надвигающегося энергетического кризиса. И в этом предприятии активнейшая роль отводится России.
«Мы говорим сейчас о термоядерной энергетике будущего и новом экологическом типе топлива, которое нельзя добыть на Земле. Речь идет о промышленном освоении Луны для добычи гелия-3».
Это высказывание главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова было воспринято российскими научными обозревателями как заявка на формирование нового «национального проекта».
Ведь по сути, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед обществом задач на грани воображения. Это касалось и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек.
Сегодня в РФ государство пытается, но не может сформулировать задачи на грани невозможного. Государству нужно, чтобы кто-то показал ему общенациональный проект и обосновал выгоды, которые из этого проекта в теории проистекают. Программа освоения и добычи гелия-3 с Луны на Землю с целью снабжения термоядерной энергетики топливом идеально отвечает этим требованиям.
«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, — подчеркнул в интервью доктор физико-математических наук, ученый секретарь Института космических исследований РАН Александр Захаров. — Может быть, из-за этого и возникли в последнее время все эти разговоры о добыче на Луне гелия-3 для термоядерной энергетики. Если Луна — источник полезных ископаемых, и оттуда везти этот гелий-3, а на Земле не хватает энергии… Все это понятно, звучит очень красиво. И под это легко, может быть, уговорить влиятельных людей выделить деньги. Я думаю, что это так».
Зачем нужен гелий-3?
Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза дейтерий-тритий, хотя и более безопасна, чем энергетика деления ядра атома, которая используется на современных АЭС, все же имеет ряд существенных недостатков.
В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз — соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30-40 лет. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землей.
В чем же проблема? Почему мы до сих пор не используем такое выгодное термоядерное топливо?
Прежде всего, потому, что на нашей планете этого изотопа чрезвычайно мало. Рождается он на Солнце, отчего иногда называется «солнечным изотопом». Его общая масса там превышает вес нашей планеты. В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого ветра, а потому гелий-3 составляет лишь одну триллионную часть земной атмосферы — примерно 4000 т. На самой Земле его еще меньше — около 500 кг.
На Луне этого изотопа значительно больше. Там он вкрапляется в лунный грунт «реголит», по составу напоминающий обычный шлак. Речь идет об огромных — практически неисчерпаемых запасах!
Высокое содержание гелия-3 в лунном реголите еще в 1970 году обнаружил физик Пепин, изучая образцы грунта, доставленные американскими космическими кораблями серии «Аполлон». Однако это открытие не привлекало внимания вплоть до 1985 года, когда физики-ядерщики из Висконсинского университета во главе с Дж.Кульчински «переоткрыли» лунные запасы гелия.
Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями «Аполлон», и двух образцов, доставленных советскими автоматическими станциями «Луна», показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится до 106 т гелия-3, что обеспечило бы потребности земной энергетики, даже увеличенной по сравнению с современной в несколько раз, на тысячелетие! По современным прикидкам, запасы гелия-3 на Луне на три порядка больше — 109 т.
Кроме Луны, гелий-3 можно найти в плотных атмосферах планет-гигантов, и, по теоретическим оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 1020 т, чего хватило бы для энергетики Земли до скончания времен.
Проекты добычи гелия-3
Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100 000 т реголита.
Следовательно для того, чтобы добыть драгоценный изотоп, необходимо переработать огромное количество рассыпчатого лунного грунта.
С учетом всех особенностей технология добычи гелия-3 должна включать следующие процессы:
1. Добыча реголита.
Специальные «комбайны» будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или перерабатывать непосредственно в процессе добычи.
2. Выделение гелия из реголита.
При нагреве реголита до 600?С выделяется (десорбируется) 75% содержащегося в реголите гелия, при нагреве до 800?С — почти весь гелий. Нагрев пыли предлагается вести в специальных печах, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами.
3. Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования.
Проект первого лунного комбайна, предназначенного для переработки реголита и выделения из него изотопа гелия-3, был предложен еще группой Дж.Кульчински. В настоящее время частные американские компании разрабатывают несколько прототипов, которые, видимо, будут представлены на конкурс после того, как НАСА определится с чертами будущей экспедиции на Луну.
Понятно, что, кроме доставки комбайнов на Луну, там придется возвести хранилища, обитаемую базу (для обслуживания всего комплекса оборудования), космодром и многое другое. Считается, тем не менее, что высокие затраты на создание развитой инфраструктуры на Луне окупятся сторицей в плане того, что грядет глобальный энергетический кризис, когда от традиционных видов энергоносителей (уголь, нефть, природный газ) придется отказаться.
Главная технологическая проблема
На пути к созданию энергетики на основе гелия-3 есть одна немаловажная проблема. Дело в том, что реакцию дейтерий-гелий-3 осуществить гораздо сложнее, чем реакцию дейтерий-тритий.
В первую очередь, необычайно трудно поджечь смесь этих изотопов. Расчетная температура, при которой пойдет термоядерная реакция в дейтерий-тритиевой смеси, — 100-200 миллионов градусов. При использовании гелия-3 требуемая температура на два порядка выше. Фактически мы должны зажечь на Земле маленькое солнце.
Однако история развития ядерной энергетики (последние полвека) демонстрирует увеличение генерируемых температур на порядок в течение 10 лет. В 1990 году на европейском токамаке JET уже жгли гелий-3, при этом полученная мощность составила 140 кВт. Примерно тогда же на американском токамаке TFTR была достигнута температура, необходимая для начала реакции в дейтерий-гелиевой смеси.
Впрочем, зажечь смесь еще полдела. Минус термоядерной энергетики — сложность получения практической отдачи, ведь рабочим телом является нагретая до многих миллионов градусов плазма, которую приходится удерживать в магнитном поле.
Эксперименты по приручению плазмы проводятся уже многие десятилетия, но лишь в конце июня прошлого года в Москве представителями ряда стран было подписано соглашение о строительстве на юге Франции в городе Кадараш Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) — прототипа практической термоядерной электростанции. В качестве топлива ITER будет использовать дейтерий с тритием.
Термоядерный реактор на гелии-3 будет конструктивно сложнее, чем ITER, и пока его нет даже в проектах. И хотя специалисты надеются, что прототип реактора на гелии-3 появится в ближайшие 20-30 лет, пока эта технология остается чистейшей фантастикой.
Вопрос добычи гелия-3 анализировался экспертами в ходе слушаний по вопросам будущего исследования и освоения Луны, состоявшихся в апреле 2004 года в Подкомитете по космосу и аэронавтике комитета по науке палаты депутатов Конгресса США. Их вывод был однозначен: даже в отдаленном будущем добыча гелия-3 на Луне совершенно невыгодна.
Как отметил Джон Логсдон, директор Института космической политики из Вашингтона: «Космическое сообщество США не рассматривает добычу гелия-3 в качестве серьезного предлога для возвращения на Луну. Лететь туда за этим изотопом все равно что пятьсот лет назад отправить Колумба в Индию за ураном. Привезти-то он его может, и привез бы, только еще несколько сотен лет никто не знал бы, что с ним делать».
Добыча гелия-3 как национальный проект
«Мы говорим сейчас о термоядерной энергетике будущего и новом экологическом типе топлива, которое нельзя добыть на Земле. Речь идет о промышленном освоении Луны для добычи гелия-3».
Это высказывание главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова было воспринято российскими научными обозревателями как заявка на формирование нового «национального проекта».
Ведь по сути, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед обществом задач на грани воображения. Это касалось и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек.
Сегодня в РФ государство пытается, но не может сформулировать задачи на грани невозможного. Государству нужно, чтобы кто-то показал ему общенациональный проект и обосновал выгоды, которые из этого проекта в теории проистекают. Программа освоения и добычи гелия-3 с Луны на Землю с целью снабжения термоядерной энергетики топливом идеально отвечает этим требованиям.
«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, — подчеркнул в интервью доктор физико-математических наук, ученый секретарь Института космических исследований РАН Александр Захаров. — Может быть, из-за этого и возникли в последнее время все эти разговоры о добыче на Луне гелия-3 для термоядерной энергетики. Если Луна — источник полезных ископаемых, и оттуда везти этот гелий-3, а на Земле не хватает энергии… Все это понятно, звучит очень красиво. И под это легко, может быть, уговорить влиятельных людей выделить деньги. Я думаю, что это так».
Колонизация Луны и добыча там гелия-3? Пока это фантастика из далекого будущего
Проблема современного мира — обилие обещаний и прогнозов, которые слишком часто не сбываются, и проектов, сроки выполнения которых постоянно переносятся. А потом все благополучно забывают о сказанном. Это касается всех сфер — от обещаний «светлого будущего» и высоких зарплат до технологических прорывов. И космоса. «Через тернии к звездам» пока не получается, зато есть Луна и Марс, до которых при большом желании можно добраться.
Естественный спутник Земли особенно привлекателен: он совсем недалеко — всего за 384 тыс. километров (это среднее расстояние, так как небесное тело перемещается вокруг нашей планеты по эллиптической орбите), что по космическим меркам ничто. Луна может выступить плацдармом для более дальних пилотируемых путешествий, однако для этого ее нужно «немного колонизировать».
Кроме роли космодрома, спутник нашей планеты называют источником невероятных богатств — точнее, теоретического энергетического ресурса в виде гелия-3. Его добыча на Земле не слишком безопасна (да и в «живом» виде его на нашей планете почти нет), а после старта программы ядерного разоружения она усложнилась еще больше.
Согласно теории, гелий-3 можно использовать в качестве компонента ядерного топлива, способного обеспечить энергией всю планету на долгие-долгие годы вперед. В настоящее время это не более чем футуризм из-за существующих технологических ограничений и полной экономической нецелесообразности создания подобных энергетических установок. Может, со временем ситуация изменится.
Менее десяти лет назад российские ученые начали активно продвигать лунный гелий-3 (вторым основным компонентом называют дейтерий) в качестве топлива, которое обеспечит Землю энергией на ближайшие L веков. Тогда высказывалось предположение, что на спутнике, по самым осторожным прикидкам, можно добыть 500 тыс. тонн этого стабильного изотопа гелия.
Всего 1 тонна гелия-3 плюс 670 килограммов дейтерия высвободят энергию, эквивалентную сгоранию примерно 15 млн тонн нефти, говорил заведующий отделом исследований Луны и планет Государственного астрономического института МГУ имени Ломоносова Владислав Шевченко. Звучало это прекрасно и перспективно, однако вопрос создания лунной базы, развертывания там добычи и доставки материалов и топлива туда-обратно упоминался лишь вскользь.
Тогда же «Роскосмос» объявил конкурс, победитель которого занялся бы проектированием ракеты-носителя тяжелого класса, способной доставить на траекторию полета к Луне пилотируемые корабли. А там не за горами и отправка тяжелых грузов для возведения форпоста человечества.
Еще несколько лет идея заселения и разработки околоземного пространства активно обсуждалась, звучали планы закрепиться на Луне к 2030 году. Тогда же вице-премьер Дмитрий Рогозин заявил, что спутник Земли является ближайшим источником «внеземного вещества, полезных ископаемых, минералов, летучих соединений, воды». Сообщалось, что «Роскосмос» уже ведет разработку проекта долговременной лунной базы, заимствуя часть идей у советских ученых (но в последние несколько лет об очевидных прорывах в этом направлении не рассказывали: денег нет).
Вероятно, речь шла о «Звезде», которую называли наиболее проработанным проектом лунной базы.
Он разрабатывался в 1960—1970-х годах. Тогда идея освоения космоса казалась романтической и одновременно необходимой из-за холодной войны СССР с США. Не исключено, что «Звезда» стала ответом на американские программы Project A119 (отправка на Луну атомной бомбы для изучения состава выброса грунта, а кратер после взрыва можно использовать как посадочную площадку), а также Lunex и Project Horizon.
Вряд ли в то время существовали какие-то сверхчеткие цели колонизации Луны. Отчасти это был исследовательский интерес, но главное — показать, «кто лучше», а успешная миссия Apollo подогрела оптимизм — по крайней мере у американцев.
Это была своего рода игра в «я первый». Кроме славы, победитель получал возможность пострелять сверху по условному врагу (к счастью, позже космическую агрессию запретили). Огромные средства тратились на подпитку государственного эго без реальной выгоды для граждан и человечества. В то же время именно благодаря этой гонке в космические программы вливали астрономические же суммы, а без них развитие технологий могло пойти иным путем.
В 1980-х идея колонизации Луны утихла с одновременным снижением финансирования таких проектов, безжизненный шарик давно никто не посещал. NASA, например, забросила его ради программы Space Shuttle, а СССР было не до того.
В новом веке такая близкая и одновременно далекая Луна вновь стала объектом интереса — по ряду причин: как стартовая площадка для дальних путешествий и как источник гипотетической энергетической безопасности Земли.
Луна хороша возможностью обеспечить быструю связь, доставку материалов — осталось только возвести там базу. В идеале перед этим надо было бы найти достаточное количество воды. Ее заметные следы обнаружены, а проверить «источники» должны во время масштабной по количеству участников программы Artemis, которой заведует NASA. Если ее не отложат или не отменят. Тогда у кого-то еще получится.
Пищу придется завозить с родной планеты. Когда-то, может, появится местная гидропоника. И это при условии, что лунная вода имеется, ее достаточно, ее можно добыть и она в принципе пригодна для нужд человека. В противном случае в список очень дорогостоящих «покупок» добавится живительная влага. В NASA 30 лет назад описали концепт лунной фермы, способной прокормить 50 человек. Но ее площадь — один гектар. Это не картофельная плантация Марка Уотни.
Еще предстоит научиться использовать местные материалы для постройки жилищ. Но не исключено, что их придется бурить в грунте кратеров или обустроиться в лавовых трубках — к примеру, из-за отсутствия атмосферы здесь очень жарко на солнце и жутко холодно в тени. И придется бороться с радиацией: только в фильмах можно бродить днями на другой планете под палящим Солнцем, а также бомбардировкой метеоритами. Для защиты сойдет реголит, а несколько лет назад компания TeamIndus предложила для защиты электромагнитный щит (впрочем, с тех пор от индийского стартапа ничего не слышно).
Существуют концепты и надувных модулей (еще в 1954 году идею озвучил фантаст Артур Кларк). Такие описывает одна из инициатив (с поддержкой ученых NASA и ESA), которая представила свою концепцию лунного поселения. Проект носит название Moon Village. Его участники описывают базу, состоящую из надувных блоков, в которых разместятся рабочие зоны, жилье, лаборатории, производство и так далее. Модули предлагают защитить панцирями, созданными роботами по принципу 3D-печати как раз из лунной породы.
Тем не менее специалисты лелеют концепцию получения всего необходимого именно in situ (лат. «на месте»), опуская вопрос создания промышленного сектора только на Луне.
А еще остаются воздух и энергия для обеспечения жизни колоний и отправки кораблей. Добыча и использование лунного гелия-3 еще долго будут фантастикой, а из-за длинных ночей солнечные батареи придется размещать в строго отведенных местах небесного тела.
Гелий-3 еще считают (немного) перспективным, но все чаще озвучивается теория, согласно которой эффективнее будет добывать воду — она также понадобится для выпуска топлива непосредственно на Луне для полетов еще дальше.
В 1986 году американские ученые подсчитали, что энергии, вырабатываемой реакцией гелия-3, окажется в 250 раз больше, чем будет затрачено на его добычу и доставку на Землю. Критики покачали головами: «Кто будет контролировать добычу, заработает миллиарды!» Прошло более 30 лет — ни энергии, ни миллиардера. Да и лунного гелия-3 тоже нет. Наверное, потому, что технологии его добычи не существует, неизвестно, как получить от него отдачу, нет и подходящих реакторов. Говорят, такие появятся еще лет через 25, если кто-то придумает его реальную конструкцию.
Согласно нынешним прогнозам, лунная база появится не ранее 2030 года, однако, как показывает история, шансы на это невелики. Более реалистичные планы указывают на 2040-е. Решение «лунных вопросов» наверняка поможет в создании новых прорывных технологий, которые пригодятся на Земле.
Вопрос в другом: не повторится ли история, когда начинание окажется неподъемным из-за недостатка ресурсов? А без Луны, вероятно, и Марса нам не видать. И Юпитера, где гелия-3 хоть отбавляй. К нему полетим на ионных двигателях.
Гелий-3 с Луны. А нужен ли он нам?
В каждой дискуссии о ресурсах в космосе рано или поздно поднимается тема добычи гелия-3 на Луне.
Чем интересен гелий-3?
Прежде всего давайте разберемся, что же такое гелий-3 и почему он вызывает такой интерес? Гелий, второй по распространенности элемент во Вселенной. Встречается в природе в двух вариантах (изотопах): гелий-3 и гелий-4. Гелий-3 встречается реже, и особенно он редок в земной атмосфере. Почему? Гелий слишком легкий, чтобы быть постоянно связанным земным притяжением. И он улетает в космос на протяжении миллионов лет.
Солнечный ветер, поток электрически заряженных частиц, который летит со скоростью 400 км/с от Солнца, содержит около 5% гелия. Однако магнитное поле Земли не дает ему попасть на Землю. Гелий попадает в земную атмосферу из двух других источников. Во-первых, это вулканы, которые высвобождают как гелий-3, так и гелий-4 из глубин Земли. Во-вторых, это радиоактивный распад урана и тория, который синтезирует исключительно гелий-4. Эти процессы приводят к тому, что в атмосфере только один из 700 000 атомов гелия является гелием-3.
На Луне ситуация совсем иная: на Луне нет ни атмосферы (практически), ни магнитного поля. Ее поверхность подвергается воздействию солнечного ветра непрерывно и безо всяких преград. Считается, что слой лунного грунта, насыщенного гелием-3, достигает 10 метров.
Гелий-3 используется сегодня в науке (для охлаждения до очень низких температур) и в медицине (методы визуализации). Его цена достигает около 2000 долларов за литр или 15 миллионов долларов за килограмм. Это делает его одним из самых дорогих веществ в мире. Но, несмотря на цену, спрос на гелий-3 составляет около 60 000 литров или 8 кг в год. Практически весь коммерчески доступный гелий-3 получают при распаде радиоактивного изотопа водорода (период полураспада 12,3 года). Сегодняшний рынок гелия-3 недостаточно велик, чтобы оправдать его добычу на Луне. И в случае появления новых источников его пополнения цена быстро снизится.
Экономическая выгода
Тем не менее в долгосрочной перспективе возможно возникновение гораздо большего спроса на гелий-3. Это может сделать добычу на Луне экономически выгодной. Гелий-3 можно использовать в качестве топлива для термоядерных реакторов. Почти все экспериментальные термоядерные реакторы используют в качестве топлива смесь дейтерия и трития (DT). Однако при слиянии этих двух изотопов водорода всегда выделяется нейтрон высокой энергии. Эти нейтроны не могут отклоняться магнитными полями. Поэтому они сталкиваются со стенками реактора и запускают там ядерные реакции. Это делает корпус реактора радиоактивным. И вынуждает утилизировать его через определенное время — так же, как радиоактивные отходы. Поэтому термоядерные электростанции совсем не такие «чистые», как иногда утверждают.
А вот слияние двух атомов гелия-3 не приводит к появлению радиоактивности. В ходе этой реакции образуются два протона и один атом гелия-4, которые можно удерживать на удалении от стенок реактора с помощью магнитных полей. Слияние гелия-3 с дейтерием также возможно. Оно обеспечивает немного больше энергии, но неизбежное слияние ядер дейтерия между собой (DD) снова будет производить нейтроны, тритий, и, следовательно, некоторую радиоактивность. Хотя и намного меньшую, чем в реакции DT. Но проблема в том, что обе реакции с гелием-3 требуют гораздо более высоких температур, чем реакция DT.
Экспериментальные термоядерные реакторы, существующие сегодня и планируемые к разработке в ближайшем будущем, по этой причине не могут использовать гелий-3 в качестве топлива. Проблема температур в лучшем случае могла бы быть решена не раннее разработки второго поколения рассматриваемых реакторов. Но, в любом случае, идея привлекательна. Сегодняшний мировой спрос на электроэнергию можно было бы удовлетворить всего лишь 200-300 тоннами гелия-3 в год. Если бы вы захотели удовлетворить сегодняшний мировой спрос на электроэнергию из существующих коммерческих резервов гелия-3, они были бы израсходованы всего за 6 часов. Весь гелий-3 в атмосфере будет исчерпан через столетие.
Запасы на Луне и не только
Но как насчет Луны? У нее, как подозревают ученые, есть миллион тонн гелия-3. Такое количество может покрыть сегодняшнюю мировую потребность в электроэнергии на 3300 лет.
Чтобы извлечь гелий-3, реголит, верхний пылевой слой Луны, должен быть нагрет до примерно 900 °C. Затем, например, путем охлаждения — гелий должен быть отделен от других газов. Затем он также должен быть отделен от гелия-4 либо путем дополнительного охлаждения. Либо другим способом обогащения (например, центрифугой). Выход будет не очень высоким: при типичной концентрации 3,3 части на миллиард, одна тонна реголита содержит около 3,3 миллиграмма гелия-3. Для производства 300 тонн гелия-3 необходимо ежегодно перерабатывать 90 миллиардов тонн реголита. При глубине добычи в десять метров в год нужно было бы разрабатывать 4500 квадратных километров. То есть каждые девять лет площадь размером с Швейцарию.
Усилия понадобятся колоссальные. Но окупятся ли они?
Расчеты показывают, что возможный выход энергии от использования гелия-3 в 70 миллионов раз превышает затраты по его транспортировке с Луны на Землю. Это означает — как и в случае с нефтью на Земле — что транспортные расходы вряд ли сыграли бы какую-то роль в формировании цены ресурса. Это открывает нам новые возможности. Если мы найдем место, где условия для извлечения гелия-3 лучше, чем на Луне, можно легко справиться даже с большими расстояниями, используя мощные ракеты. В итоге все это многократно окупится. И в Солнечной системе есть такие места. Это атмосферы газовых гигантов.
Уран — самый легкий среди газовых гигантов. А это значит, что от него легче всего уйти. Энергия, необходимая для доставки одного килограмма гелия-3 из атмосферы Урана на Землю, почти в 200 раз больше, чем при доставке с Луны. Но в отличие от Луны, гелий-3 уже присутствует в атмосфере Урана. Он составляет около 0,005% ее объема. И может быть легко отделен от других газов. Кроме того, его количество там колоссально. В общей сложности в атмосфере Урана содержится около 400 квадриллионов тонн гелия-3. Этого достаточно для покрытия мирового потребления электроэнергии при сегодняшних объемах в течение следующих 5 миллиардов лет.
Если ученые разработают реакторы, работающие на гелии-3, его добыча в космосе будет вполне рентабельной.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.