Как солнечный элемент гелий дал новый толчок исследованиям Луны
Речь пойдет об изотопе Гелий-3. Луна обладает такими его запасами, что способна обеспечить все государства электричеством на тысячи лет.
Мы будем разбираться в энергетике и перспективах, но сначала о грустном. Дело в том, что несмотря на все преимущества гелия-3, он составляет жалкие 0,000137% от всего гелия на Земле, а 99,99986% — на гелий-4, который не имеет полезных свойств, интересных энергетикам.
Давайте-ка по порядку.
Изотоп
Гелий-3 рассматривается как перспективное топливо для термоядерных реакторов. Существует три типа водорода:
Легкий (протий, ядро — один протон)
Тяжелый (дейтерий, состав — протон + нейтрон)
Сверхтяжелый (тритий, состав — протон + два нейтрона)
Изначально исследователи пробовали использовать обычный водород, однако его энерговыход оказался недостаточным. Больше потратишь усилий и денег, чем получишь реального выхлопа. Водород - на выход. Следующий шаг — дейтерий, который дает больший выход энергии, но с калькулятором в руках просчитано, что затраты не окупаются.
После этого был выбран тритий, вот здесь результаты были приемлемыми, однако его плазма оказалась трудной в управлении.
В настоящее время ученые рассматривают гелий-3 (состав — два протона + нейтрон), и надо полагать , что изотоп может обеспечить больший энергопоток и будет легче в управлении.
Инфографика: https://vistat.org/
Но, как мы помним, на Земле гелия-3 крайне мало. А гелий-4 (два протона + два нейтрона), хоть и присутствует в больших количествах, но для термоядерных реакций не годится.
Ядерная реакция 3Не + D → 4Не + p (увы, малодостижимая в промышленных масштабах ввиду малого количества сырья) имеет ряд преимуществ по сравнению с более удобной и простой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4Не + n.
К числу этих преимуществ относим значительно более низкий поток нейтронов из зоны реакции, а это ведет к серьезному снижению наведенной радиоактивности и уменьшению деградации материалов реактора. Про материалы реактора еще поговорим, там и без радиоактивности проблем хватает.
Кроме того, одним из продуктов реакции являются протоны, которые, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии.
О хранении сырья: и гелий-3, и дейтерий характеризуются неактивностью, что позволит складировать их без особых мер безопасности; даже в случае аварии с разгерметизацией активной зоны выброс даст практически нулевой уровень радиоактивности.
Инфографика: https://vistat.org/
Мы пишем, что гелий-3 хранить достаточно безопасно, но помимо обеспечения безопасности есть много других требований. Гелий-3 хранится при крайне низких температурах и под высоким давлением, а значит потребуются сложные криогенные системы. Гелий-3 — лёгкий и подвижный газ, способный улетучиваться, проникая через мельчайшие поры материалов. Следовательно, кроме температуры и давления необходима абсолютная герметичность не только на этапе хранения, но и при транспортировке.
Но, конечно, все не настолько волшебно, как хотелось бы: существенный недостаток гелий-дейтериевой реакции — гораздо более высокий температурный порог, необходимый для ее запуска, который составляет около миллиарда градусов. И это вторая проблема материалов реактора.
О реакторах
Уже сейчас - и не первое десятилетие - существует несколько проектов и исследований, посвящённых возможности использования гелия-3 в термоядерном синтезе. ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор) - наиболее известный, распиаренный, и пожалуй, дорогостоящий.
В реакторе где создаются установки на основе плазменного термоядерного синтеза с использованием гелия-3 в качестве топлива.
Инфографика: https://vistat.org/
Ни один из существующих материалов не способен выдержать длительный нагрев до таких температур — любой, даже самый прочный сплав, разработанный в секретных военных лабораториях, деформируется и распадается на пыль, если реакция продолжается чуть дольше, чем положено. Именно поэтому термоядерная реакция на текущем этапе не может длиться более одной минуты.
Идея получения энергии через "обратное деление", основанная на разнице масс, привлекала физиков на протяжении многих лет. Проблемы первых термоядерных реакторов, или устройств, которые были похожи на них, заключались не только в высоком энергопотреблении, но и в отсутствии реальных результатов.
Инфографика: https://vistat.org/
Есть такой проект и у России, и у Китая - в общем, не единичная разработка. Главная нерешённая проблема термоядерных реакторов, предназначенных для разогрева дейтерия и трития до температуры в сотню миллионов градусов, заключается в отсутствие эффективности. Удержать разогретые до состояния плазмы дейтерий и тритий в реакторе уже умеют, но энергия, выделяющаяся во время процесса синтеза, оказывается меньше той, что потребляет реактор.
Но затраты во имя науки - это затраты во имя науки.
Все не так плохо как может показаться: технология термоядерного синтеза отрабатывалась ещё в СССР, а в 1997-ом году на реакторе Jet в Великобритании удалось достичь мощности ядерного энерговыделения более 16 МВт, что примерно сравнялось с мощностью плазменных потерь.
Используемый способ получения гелия-3
Гелий-3 может быть получен только через распад трития, и основные его запасы возникли в результате этого процесса. Когда? Во время ядерной гонки в период холодной войны. Например, американцами к 2003 году было накоплено примерно 260 тыс. литров неочищенного гелия-3, но уже спустя 7 лет объемы неиспользуемого газа сократились до 12 тыс. литров.
Спрос на редкий газ рос (и тут вопрос не в энергетике, а в использовании гелий-3 в других сферах, в том числе медицины). В связи с растущим спросом в 2007 году вновь запустили ограниченное производство трития, по плану ежегодное получение гелия-3 составляло 8 тыс. литров. В то же время текущий годовой спрос на гелий-3 уже превышает 40 тыс. литров, из которых только 5% используется в медицине.
В апреле 2010 года Комитет по науке и технологии США завил, что нехватка гелия-3 может негативно сказаться на различных областях, и даже ученые в ядерной отрасли испытывают трудности с его приобретением из государственных запасов.
Инфографика: https://vistat.org/
Вот с тех пор аукционная цена на гелий-3 колеблется около $2000 за литр, и никаких тенденций к удешевлению не отмечается. Дефицит объясняется тем, что большая часть гелия-3 используется для создания нейтронных детекторов, необходимых для обнаружения ядерных материалов. Эти детекторы фиксируют нейтроны по реакции (n, p) — захвату нейтронов и испусканию протонов. Чтобы эффективно отслеживать попытки ввоза ядерных материалов, требуется значительное количество таких детекторов, что и делает гелий-3 чрезвычайно дорогостоящим ресурсом.
Итак, откуда его брать?
Есть одна крайне перспективная, но пока еще не реализованная идея, требующая дальнейших исследований и технического прорыва. Для начала факт, о котором вы наверняка догадались из заголовка.
Каждая тонная лунного грунта содержит около 0,01 грамма гелия-3. По предварительным подсчетам, всего на Луне не менее 500 тыс. тонн вещества. Этого достаточно, чтобы обеспечить всю планету энергией на 5000 лет без использования прочих источников.
А вот общее количество гелия-3 в атмосфере нашей планеты оценивается всего в 35 000 тонн. Почувствуйте разницу!
В природе гелий-3 миллионами и миллиардами лет может накопиться либо на больших планетах (Уран или Нептун), способных его удерживать, либо на телах без атмосферы и магнитосферы. Ближайший к нам источник - Луна, где в грунте искомый гелий-3 лежит в чистом виде, то есть его не придется обрабатывать, достаточно собирать в капсулы спецтехникой (немногим сложнее лунохода) — и можно сразу отправлять на Землю. А дальше простая математика - 2 тонны гелия-3, разогретые в термоядерном реакторе, дадут столько же энергии, сколько 30 млн тонн нефти, сжигаемой в печах ТЭС.
Инфографика: https://vistat.org/
И совершенно случайно успехи в завершении проектов по созданию термоядерных реакторов совпали с возобновлением "лунной гонки". Как всегда, есть нюанс. Для того, чтобы начать добычу на Луне, придется делать огромные вложения. Понадобится не только техника, понадобятся люди. По сути, это означает колонизацию спутника. Это несколько сложней - потребуется инфраструктура с обеспечением людей водой, воздухом, топливом, строительными материалами. И если добыча окажется выгодной - ее начнут.
Так, в 2024 году экс-сотрудники американской частной космической компании Blue Origin основали собственный стартап Interlune, ставя целью к 2028 году создать завод на Луне. Сооснователь Interlune Роб Мейерсон заявлял: Гелий-3 — единственный ресурс, цена которого достаточно высока, чтобы обеспечить полет на Луну и возвращение его на Землю. Есть клиенты, которые хотят купить его сегодня.
В 2026 году должен пройти первый пробный полет с забором гелия-3 и его доставкой на землю, проект будут совместным для Interlune и NASA.
Завод - это прекрасно. Но полноценная Лунная база - еще лучше.
Инфографика: https://vistat.org/
Проект таковой есть у России и Китая, причем согласно плану станция должна быть построена к 2033 году. В 2023 года правительство РФ подписало соответствующее соглашение о сотрудничестве с КНР по возведению Международной научной лунной станции. А 5 марта 2024 года сообщалось, что страны обдумывают способы доставки на Луну в 2030-х годах ядерную станцию с помощью роботов.
Это прекрасно, но мы упираемся в 2 фактора:
1. Термоядерные реакторы до сих пор ненадежны и неспособны обеспечивать бесперебойную работу даже при наличии гелий-3.
2. Затраты на создание лунных экспедиций, лунных баз и лунных заводов не отобьют себя, если термоядерные реакторы окажутся пшиком по непреодолимым техническим моментам.
Это не значит, что "нет клиентов, которые хотят купить гелий-3 сегодня". Медицина, криогенная промышленность, научные лаборатории - постоянные клиенты, но не станет ли лунный гелий-3 слишком дорогой альтернативой земному гелию-3?
Имеет ли смысл вкладываться сейчас, на короткой перспективе?
