Гелий 3 применение. Луна и грош, или история гелиевой энергетики. Выделение гелия из реголита

28.12.2023Рубрика: Кладка

«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 заявление главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова, если и не потрясло воображение законопослушных россиян (им сейчас, как раз, накануне нового отопительного сезона только с гелием-3 разбираться), то уж воображение специалистов и людей заинтересованных не оставило равнодушным.

Оно и понятно: при, мягко говоря, не блестящем состоянии дел в отечественной аэрокосмической отрасли (космический бюджет России в 30 раз меньше, чем в США и в 2 раза меньше, чем в Индии; с 1989 по 2004-й годы мы запустили всего 3 исследовательских КА), вдруг, вот так, ни больше, ни меньше – россияне будут добывать гелий-3 на Луне! Напомню, что, теоретически, этот легкий изотоп гелия способен вступать в термоядерную реакцию с дейтерием. Соответственно, термояд многие ученые считают потенциально безграничным источником дешевой энергии. Однако проблемка есть: гелий-3 составляет менее одной миллионной доли от общего количества гелия на Земле. А вот в лунном грунте этот легкий изотоп содержится в изобилии: по оценке академика Эрика Галимова – около 500 млн. тонн...

Говорят, в свое время в США перед входом в Диснейленд висел огромный плакат: «Мы и наша страна можем все, единственное, что нас лимитирует, это границы нашего воображения». Все это было недалеко от истины: быстрый и эффективный атомный проект, фантастически успешная лунная программа, стратегическая оборонная инициатива (СОИ), вконец доконавшая советскую экономику. ...

По существу, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед научным сообществом задач на грани воображения. Это касается и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек┘ Кстати, и у нас был свой «плакат» перед Диснейлендом – «Мы рождены, чтоб сказку сделать былью!»

«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, – подчеркнул в беседе со мной 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».

Но все дело в том, что сейчас на Земле нет технологии – и в ближайшие, как минимум, 50 лет не предвидится ее появления, – сжигания гелия-3 в термоядерной реакции. Нет даже эскизного проекта такого реактора. Строящийся сейчас во Франции международный термоядерный реактор ITER проектируется на «сжигание» изотопов водорода – дейтерия и трития. Расчетная температура «поджига» термоядерной реакции – 100–200 млн. градусов. Для использования гелия-3 температура должна быть на порядок-два выше.

Значит, руководитель крупнейшей в России ракетно-космической корпорации Николай Севастьянов, извините за выражение, пудрит нам мозги своим гелием-3? Не похоже. Зачем!?

«Космическая отрасль, естественно, заинтересована в таком крупном и дорогостоящем проекте, – считает Александр Захаров. – Но с точки зрения его практического использования, абсолютно очевидно, что это преждевременно».

Чтобы реализовать проект «гелий-3» нужно создавать специальную программу дополнительных исследований Луны, запускать целую эскадру космических аппаратов, решать вопросы с добычей гелия-3, его переработкой┘ Это разорит страну почище всякой СОИ.

«Я не хочу сказать, что Луна с научной точки зрения полностью закрыта – там остались и научные задачи, – подчеркивает Александр Захаров. – Но, как говорится, этим надо заниматься step by step, не забываю о других научных задачах. А то мы как-то шарахаемся: как только американцы объявили о программе пилотируемого полета на Марс – и сразу мы заявляем, что тоже готовы этим заниматься. Услышали про лунные программы – давайте тоже этим заниматься┘ У нас нет обдуманной, взвешенной, стратегической национальной задачи».

Вот, опять вернулись к тому, с чего начали, – к стратегической национальной задаче. Беда в том, что в отличие от американцев мы лимитированы не столько своим воображением – с этим-то, как показывает заявление Николая Севастьянова, у нас все в порядке. Но вот на программу «гелий-3» (условно назовем ее так), по самым скромным расчетам, потребуется 5 млрд. долл. на пять лет исследований.

С чисто научной точки зрения, в проблеме термояда на основе ТОКАМАКов, даже несмотря на принятое решение о строительстве международного экспериментального реактора ITER, наметился некий застой. (Впрочем, это тема для отдельного разговора.) Как мне кажется, проблема гелия-3 для некоторой части влиятельного термоядерного лобби – новая ниша для реанимации и реализации профессиональных амбиций.

Мало того – и это уж совсем сенсационная вещь, и только поэтому я не начал с нее свою статью, - как нам сообщил эксперт из аэрокосмической отрасли, на российский проект добычи легкого изотопа гелия на Луне выделен┘ 1 млрд. долларов! Деньги эти, якобы, имеют американское происхождение.

Несмотря на всю замысловатость подобной комбинации, концы с концами в ней сходятся вполне успешно. Чтобы добиться выделения 104-х млрд. долл. на объявленную недавно программу создания лунной базы, Национальному агентству США по аэронавтике и космическим исследованиям надо было показать, что «стратегические конкуренты» тоже не дремлют. То есть, «российский» миллиард - это, своего рода, накладные расходы NASA... Отсюда и необъяснимый рациональными мотивами всплеск интереса к добыче гелия-3 в России.

Если это действительно так, то лишний раз нам всем придется убедиться в справедливости формулы, напечатанной лет десять назад в журнале Physics Today. Вот она: «Ученые – это не бескорыстные искатели истины, а скорее участники острой конкурентной борьбы за научное влияние, победители которой срывают банк».

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.

Луна

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.

Во-первых , при этой реакции выделяется куда большее (на порядок!) число высокоэнергетичных нейтронов. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет - при том, что имеет смысл делать реактор с ресурсом как минимум в 30 лет. Следовательно, первую стенку тритиевого термоядерного реактора будет необходимо заменять - а это очень сложная и дорогостоящая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок.
Во-вторых , от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора, что усложняет и, соответственно, удорожает конструкцию.
В-третьих , многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилищах.

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!

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.

При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ, - которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.

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».

Не исключено, что в ближайшие годы мы станем свидетелями Лунной гонки-2, победитель (или победители) которой получит в свои руки практически неисчерпаемый источник энергии. Это в свою очередь, позволит человечеству выйти на качественно новый технологический уклад, о параметрах которого мы можем только догадываться.

Что такое гелий-3?

Из школьного курса физики мы помним, что атомная масса гелия равняется четырем и этот элемент является инертным газом. Его проблематично использовать в каких-либо химических реакциях, тем более с выделением энергии. Совсем другое дело - изотоп гелия с атомной массой 3. Он способен входить в термоядерную реакцию с дейтерием (изотопом водорода с атомной массой 2) в результате чего образуется гигантская энергия за счет синтеза обычного гелия-4 с выделением протона (3 Не + D → 4 Не + p + энергия). Подобным образом из всего одного грамма гелия-3 можно получить такую же энергию, как при сжигании 15-ти тонн нефти.

Тонны гелия-3 хватит для энерговыделения на уровне 10 ГВт в течение года. Таким образом, чтобы закрыть все сегодняшние энергопотребности России, ежегодно понадобится 20 тонн гелия-3, а для всего человечества потребуется примерно 200 тонн данного изотопа в год. При этом отпадет необходимость жечь нефть и газ, запасы которых не безграничны, по последним оценкам разведанных запасов углеводородов - человечеству хватит всего на полвека. Не нужно будет эксплуатировать и достаточно опасные АЭС, что после Чернобыля и Фукусимы приобрело особую актуальность.

Где взять гелий-3?

При современном развитии технологий единственным реально доступным источником этого элемента является поверхность Луны. Сам по себе гелий-3 образуется в недрах звезд (например, нашего Солнца) в результате соединения двух атомов водорода. При этом основным продуктом данной реакции является обычный гелий-4, а изотоп-3 образуется в малых количествах. Часть его выносится солнечным ветром и равномерно распределяется по планетной системе.

На Землю гелий-3 практически не выпадает, поскольку его атомы отклоняются магнитным полем нашей планеты. Зато на планетах, у которых такое поле отсутствует, элемент осаждается в верхних слоях грунта и постепенно накапливается. Ближайшим к Земле небесным телом, у которого отсутствует магнитное поле, является Луна, поэтому именно здесь сосредоточены доступные человечеству запасы этого ценного энергоносителя.

Подтверждением тому служат не только теоретические выкладки, но и результаты эмпирических исследований. Во всех пробах лунного грунта, доставленных на Землю, был обнаружен гелий-3 в относительно высоких концентрациях. В среднем - на 100 тонн реголита приходится 1 гр. данного энергоизотопа.

Таким образом, чтобы извлечь вышеупомянутые 20 тонн гелия-3 для полного удовлетворения годовых энергопотребностей РФ, понадобится «перелопатить» 2 000 млн. тонн лунного грунта.

Физически это соответствует участку на Луне размерами 20х20 км с глубиной карьера 3 м. Задача по организации столь масштабной добычи - достаточно сложная, но вполне решаемая, уверены современные инженеры. Судя по всему, более трудной и дорогостоящей проблемой станет доставка десятков тонн топлива для теромоядерных печей на Землю.

Чего не хватает человечеству для гелиевой энергореволюции?

Для развития на Земле полноценной термоядерной энергетики на базе гелия-3 людям предстоит решить три основных задачи.

1. Создание надежных и мощных средств доставки грузов по маршруту Земля-Луна и обратно.
2. Возведение лунных баз и комплексов по добыче гелия-3, которое сопряжено с множеством технологических проблем.
3. Строительство собственно термоядерных электростанций на Земле, для чего также предстоит преодолеть определенные технологические барьеры.

К решению первой задачи человечество придвинулось практически вплотную. Все четыре страны, участвующие в Лунной гонке-2 плюс Европейский Союз, уже разработали или разрабатывают ракеты тяжелого класса, способны забрасывать тонны груза на лунную орбиту. Например, к 2027 г. в России запланирована реализация «в железе» ракеты-носителя «Ангара-А5В», которая будет способна доставить к Луне не менее 10 тонн полезного груза. С обратной транспортировкой будет попроще, поскольку сила притяжения Луны в 6 раз меньше земной, но здесь проблемой будет топливо. Его придется либо завозить с Земли, либо вырабатывать на поверхности нашего спутника.

Гораздо более серьезной является вторая задача, поскольку помимо организации собственно добычи гелия-3 из реголита инженерам придется создать надежные лунные базы с системами жизнеобеспечения для шахтеров будущего. В этом сильно помогут технологии, наработанные благодаря многолетней эксплуатации орбитальных станций, прежде всего МКС и «Мир». Как в России, так и в других странах сегодня активно проектируются лунные базы и, пожалуй, наша страна на сегодня имеет максимум технологий для реального воплощения подобных проектов.

Что касается третьей проблемы, то работы по созданию термоядерных реакторов идут на Земле последние три десятилетия. Основной технологической трудностью здесь является проблема удержания высокотемпературной плазмы (необходимой для «розжига» термоядерного синтеза) в т.н. «магнитных ловушках».

Этот вопрос уже решен для реакторов, работающих на принципе соединения дейтерия и трития (D + T = 4 He + n + энергия). Для поддержания такой реакции достаточно температуры в 100 млн. градусов.

Однако подобные реакторы никогда не станут массовыми, поскольку они чрезвычайно радиоактивны. Для запуска реакции с участием гелия-3 и дейтерия понадобятся температуры в 300-700 млн. градусов. Пока такую плазму не удается длительно удерживать в магнитных ловушках, но возможно к прорыву в этой области приведет запуск Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER), который сейчас строится во Франции и будет введен в эксплуатацию к 2025 г.

Таким образом, десятилетие между 2030-2040 гг. имеет все шансы оказаться стартовым в деле развития энергетики на базе гелия-3, поскольку к этому времени, судя по всему, будут преодолены технологические препятствия, указанные выше. Соответственно, останется найти деньги на реализацию энергопроекта, который способен перевести человечество в эру чрезвычайно дешевой (почти дармовой) энергии со всеми вытекающими последствиями, как для экономики, так и качества жизни каждого человека.

В последнее время, особенно после того, как США усилили темпы работ по своей лунной программе, все сильнее стала муссироваться тема о гелии-3, как основе ядерной энергетики будущего. О данном элементе даже снимают фантастические фильмы. Что же такое гелий-3, где его добыть и какие выгоды он сулит человечеству!

РЕАКТОР БЕЗ РАДИАЦИИ

Гелий-3 (³He) является одним из изотопов гелия, в ядре которого находится один нейтрон, а не два. На Земле запасы гелия-3 составляют 0,000137% от общего количества элементов и оцениваются в 35 тысяч тонн. Практически весь имеющийся в наличии гелий-3 сохранился с момента образования нашей планеты.

Интерес к этому изотопу гелия усилился после того, как стало ясно, что человечество вплотную приблизилось к серьезному энергетическому кризису. Запасы углеводородов подходят к концу, и уже через несколько десятилетий мы их полностью исчерпаем. Альтернативные источники энергии, такие как ветер, Солнце, приливы и отливы, геотермальная активность, не могут покрыть всех потребностей человечества. Остаются еще запасы каменного угля, которых хватит примерно на 200-300 лет. Однако по мере того, как доля угля в современной энергетике будет возрастать, этот срок может существенно сократиться. Кроме того, процессы сжигания и добычи угля серьезно ударяют по экосистеме планеты.

Таким образом, единственным источником энергии, которого хватит надолго, - это энергия, основанная на делении ядер урана. Уже сегодня атомная энергетика занимает почти 7% в мировом энергетическом балансе. И с каждым годом доля ее участия возрастает. Но вместе с этим все серьезнее встает вопрос о главной проблеме всех АЭС - утилизации и хранении радиоактивных отходов, которых с каждым годом становится все больше. И тут идеальным выходом было бы использование топлива, основанного на реакциях термоядерного синтеза с гелием-3.

Дело в этом, что ядерные реакции, протекающие с участием гелия-3, в отличие от других ядерных реакций, идут с выделением не нейтронов, а протонов. Нейтроны - крайне активные частицы, они способны глубоко проникнуть в конструкционные материалы ядерного реактора, разрушая их структуру и делая радиоактивными. Это приводит к тому, что отдельные детали и узлы каждые несколько лет приходится менять, чтобы реактор мог работать в штатном режиме. Кроме того, возникает проблема утилизации и захоронения ядерных отходов.

Протоны же, в отличие от нейтронов, не наводят радиоактивности и не способны проникать внутрь конструкций. Поток протонов - это, по сути, поток водорода. И материалы, из которых созданы узлы реактора, работающего на гелии-3, могут служить десятилетиями. В целом реакция с участием ³He в 50 раз менее радиоактивна, чем обычная реакция взаимодействия дейтерия с тритием (D + T).

Таким образом, главное достоинство гелия-3 не столько в его энергетической ценности, сколько в его практически полной экологической безопасности.

ЛУННЫЕ ЗАЛЕЖИ

Где же можно добывать гелий-3 в необходимых масштабах? На Земле этот изотоп содержится в таких ничтожно малых количествах, что о его промышленной добыче и речи быть не может. Ответ на этот вопрос известен давно - на Луне.

То, что Луна обладает огромными запасами гелия-3, стало известно, когда первые образцы лунного грунта были доставлены на Землю советскими автоматическими аппаратами «Луна» и американскими астронавтами во время выполнения программы «Аполлон».

Относительная концентрация изотопа в лунном грунте оказалась в 1000 раз выше, чем в земных недрах. Причина этого явления кроется в регулярном облучении поверхности Луны корпускулярным излучением Солнца. Дело в том, что, не имея защиты в виде сильного магнитного поля, поверхностный пылевидный слой (реголит) Луны регулярно получает огромную дозу облучения. Во время этого процесса в него внедряется большое количество элементов, в первую очередь изотопы водорода и гелия.

По предварительным оценкам, общие запасы гелия-3 на Луне составляют около миллиона тонн. Такого количества изотопа человечеству хватило бы на тысячу лет. Энергетическая эффектность его такова, что 1 тонна гелия-3 может заменить 20 млн тонн нефти, что позволит в течение года обеспечивать выходную мощность АЭС в 10 ГВт. В одной тонне лунного грунта содержится 10 мг гелия-3, что соответствует энерговыделению 1 м³ нефти. Можно сказать, что поверхность Луны представляет собой сплошной океан нефти. Человечеству нужно 200 тонн ³He ежегодно, потребность российской энергетики оценивается в 20-30 тонн гелия-3 в год.

Однако как бы ни были велики общие запасы ³He, содержание изотопа в лунной почве все равно очень невелико (примерно 10 мг на тонну породы). Таким образом, чтобы обеспечить потребности человечества, нужно вскрывать 20 млрд тонн реголита в год. Учитывая среднюю толщину слоя реголита в 3 м, общая площадь добычи будет составлять 30 на 100 км.

Сегодня, когда доставка даже нескольких сот килограммов груза на Луну считается большим достижением, переработка миллиардов тонн лунного грунта воспринимается как совершенно фантастический проект. Поэтому правильным решением было бы не транспортировка лунного грунта на Землю, а организация на самой Луне полного цикла получения готового изотопа гелия-3 - начиная от добычи породы и заканчивая ее обогащением.

ТРУДНОСТИ ДОБЫЧИ

Впрочем, 20 млрд тонн вскрышных работ лунного грунта только кажутся фантастическим мероприятием. На Земле сейчас добывают порядка 5 млрд тонн угля в год. Объем вскрышных работ земного грунта составляет порядка 50 млрд тонн. То есть нынешние темпы разработки земных недр вполне сопоставимы по масштабам с тем, что нас может ожидать на Луне. Б то же время на Луне не будет стоять проблем, связанных с экологическими последствиями проведения вскрышных работ, поэтому общая эффективность разработки лунного грунта может быть в несколько раз выше, чем на Земле. Не стоит забывать и о том, что сила тяжести на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле. Это, в свою очередь, позволит серьезно увеличить скорость выработки грунта.

Что же касается технической стороны вопроса, то земная наука и техника достаточно развиты для того, чтобы начать организацию процесса переноса части горно-обогатительной и добывающей промышленности на Луну. Конечно, этот процесс займет не один десяток лет, поэтому чем раньше мы его начнем, тем быстрее получим необходимый результат.

Уже сейчас надо начинать подготовительный этап, содержащий в себе геологоразведочные и испытательные работы, которые должны проводиться в рамках общих исследовательских работ на Луне. Одними из первых должны быть работы по изучению внутреннего строения Луны, запланированные в программе «Луна-Глоб». В ходе выполнения этой программы планируется с помощью химико-минералогической интерпретации сейсмических данных получить данные о химическом строении нижней мантии Луны, а также определить размеры лунного ядра.

Следующим этапом работ будет доставка фунта с Луны на Землю. Основной упор здесь нужно сделать на беспилотные аппараты, которые будут собирать образцы лунного грунта и доставлять их к посадочным модулям. Кроме того, луноходам можно поручить задачу создания долговременной сети сейсмических датчиков, импульсы которых позволят получить исчерпывающее представление о том, что происходит в недрах Луны. Одновременно с этим необходимо будет проводить картирование лунной поверхности на предмет содержания гелия-3.

РЕАКТОР НА ГЕЛИИ-3

И наконец, остается последний вопрос - создание термоядерного реактора, в работе которого используется топливо на основе гелия-3. Сегодня такой реактор существует только в теории. Хотя работы над управляемым термоядерным синтезом уже переходят в практическую плоскость. Во Франции полным ходом идет строительство экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, который будет использовать в своей работе реакцию синтеза дейтерия с тритием. Стоимость стройки изначально оценивалась в 5 млрд евро, а первую очередь реактора планировалось пустить к 2016 году. Однако позже расходы возросли вдвое, а срок начала эксплуатации сдвинулся на 2020 год. ИТЭР будет представлять собой сооружение высотой 60 метров и массой около 23 тысяч тонн. Особое внимание при его создании было уделено проблеме радиационной безопасности. Однако для работы с гелием-3 реактор типа ИТЭР не годится. Дело в том, что для такой реакции необходимо будет создать температуру, которая в три раза выше, чем температура в активной зоне ИТЭР.

Учитывая, что с момента открытия ядерных реакций и до создания термоядерного реактора типа ИТЭР человечество шло долгих 50 лет, можно предположить, что создание реактора на гелии-3 займет примерно 20-30 лет.

Гелий - инертный газ 18-й группы периодической таблицы. Это второй самый легкий элемент после водорода. Гелий - газ без цвета, запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268.9 °C. Точки кипения и замерзания его ниже, чем у любого другого известного вещества. Это единственный элемент, который не затвердевает при охлаждении при нормальном атмосферном давлении. Чтобы гелий перешел в твердое состояние, необходимо 25 атмосфер при температуре 1 К.

История открытия

Гелий был найден в газовой атмосфере, окружающей Солнце, французским астрономом Пьером Жансеном, который в 1868 году во время затмения обнаружил яркую желтую линию в спектре солнечной хромосферы. Первоначально предполагалось, что эта линия представляла элемент натрий. В том же году английский астроном Джозеф Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала известным линиям натрия D 1 и D 2 , и поэтому он назвал ее линией D 3 . Локьер пришел к выводу, что она была вызвана веществом на Солнце, неизвестном на Земле. Он и химик Эдуард Франкленд в названии элемента использовали греческое название Солнца «гелиос».

В 1895 году британский химик сэр Уильям Рамзай доказал существование гелия на Земле. Он получил образец ураноносного минерала клевеита, и после исследования газов, образовавшихся при его нагреве, он обнаружил, что ярко-желтая линия в спектре совпадает с линией D 3 , наблюдаемой в спектре Солнца. Таким образом, новый элемент был окончательно установлен. В 1903 году Рамзи и Фредерик Содду определили, что гелий является продуктом спонтанного распада радиоактивных веществ.

Распространение в природе

Масса гелия составляет около 23% всей массы Вселенной, и элемент является вторым по распространенности в космосе. Он сосредоточен в звездах, где образуется из водорода в результате термоядерного синтеза. Хотя в земной атмосфере гелий находится в концентрации 1 часть на 200 тыс. (5 промилле) и в небольших количествах содержится в радиоактивных минералах, метеоритном железе, а также в минеральных источниках, большие объемы элемента встречаются в Соединенных Штатах (особенно в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Оклахоме, Аризоне и Юте) в качестве компонента (до 7,6%) природного газа. Небольшие его запасы были обнаружены в Австралии, Алжире, Польше, Катаре и России. В земной коре концентрация гелия равна лишь около 8 частей на миллиард.

Изотопы

Ядро каждого атома гелия содержит два протона, но, как и у других элементов, у него есть изотопы. Они содержат от одного до шести нейтронов, поэтому их массовые числа находятся в диапазоне от трех до восьми. Стабильными из них являются элементы, у которых масса гелия определяется атомными числами 3 (3 He) и 4 (4 He). Все остальные радиоактивны и очень быстро распадаются на другие вещества. Земной гелий не является изначальной составляющей планеты, он образовался в результате радиоактивного распада. Альфа-частицы, испускаемые ядрами тяжелых радиоактивных веществ, представляют собой ядра изотопа 4 He. Гелий не накапливается в больших количествах в атмосфере, потому что гравитации Земли недостаточно, чтобы предотвратить его постепенную утечку в космос. Следы 3 He на Земле объясняются отрицательным бета-распадом редкого элемента водорода-3 (трития). 4 He является наиболее распространенным из стабильных изотопов: соотношение числа атомов 4 He к 3 He составляет около 700 тыс. к 1 в атмосфере и около 7 млн к 1 в некоторых гелийсодержащих минералах.

Физические свойства гелия

Температура кипения и плавления у этого элемента самые низкие. По этой причине гелий существует в за исключением экстремальных условий. Газообразный He в воде растворяется меньше, чем какой-либо другой газ, а скорость диффузии через твердые тела в три раза больше, чем у воздуха. Его показатель преломления ближе всего приближается к 1.

Теплопроводность гелия уступает лишь теплопроводности водорода, а его удельная теплоемкость необычайно высокая. При обычных температурах при расширении он нагревается, а ниже 40 K - охлаждается. Поэтому при Т<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Элемент является диэлектриком, если не находится в ионизированном состоянии. Как и у других благородных газов, у гелия есть метастабильные энергетические уровни, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде, когда напряжение остается ниже потенциала ионизации.

Гелий-4 уникален тем, что обладает двумя жидкими формами. Обычная называется гелий I и существует при температурах от точки кипения 4,21 К (-268,9 °C) до около 2,18 К (-271 °C). Ниже 2,18 K теплопроводность 4 He становится в 1000 раз больше, чем у меди. Эта форма называется гелий II, чтобы отличить ее от обычной. Она обладает сверхтекучестью: вязкость настолько низкая, что не может быть измерена. Гелий II растекается в тонкую пленку на поверхности любого вещества, которого касается, и эта пленка течет без трения даже против силы тяжести.

Менее обильный гелий-3 образует три различные жидкие фазы, две из которых сверхтекучи. Сверхтекучесть в 4 He была обнаружена советским физиком в середине 1930-х годов, и такое же явление в 3 He было впервые замечено Дугласом Д. Ошеровым, Дэвидом М. Ли, и Робертом С. Ричардсоном из США в 1972 году.

Жидкая смесь двух изотопов гелия-3 и -4 при температурах ниже 0,8 К (-272.4 °C) разделяется на два слоя - практически чистого 3 He и смеси 4 He с 6% гелия-3. Растворение 3 He в 4 He сопровождается охлаждающим эффектом, который используется в конструкции криостатов, в которых температура гелия опускается ниже 0,01 К (-273,14 °C) и поддерживается такой в течение нескольких дней.

Соединения

В нормальных условиях гелий химически инертен. В экстремальных можно создать соединения элемента, которые при нормальных показателях температуры и давления не являются стабильными. Например, гелий может образовывать соединения с йодом, вольфрамом, фтором, фосфором и серой, когда он подвергается действию электрического тлеющего разряда при бомбардировке электронами или в состоянии плазмы. Таким образом, были созданы HeNe, HgHe 10 , WHe 2 и молекулярные ионы Не 2 + , Не 2 ++ , HeH + и HeD + . Эта техника также позволила получить нейтральные молекулы Не 2 и HgHe.

Плазма

Во Вселенной преимущественно распространен ионизированный гелий, свойства которого существенно отличаются от молекулярного. Электроны и протоны его не связаны, и он обладает очень высокой электропроводностью даже в частично ионизированном состоянии. На заряженные частицы сильное воздействие оказывают магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре ионы гелия вместе с ионизированным водородом взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая северные сияния.

Открытие месторождений в США

После бурения скважины в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был получен негорючий газ. Первоначально не было известно, что в нем содержится гелий. Какой газ был найден, определил геолог штата Эразмус Хаворт, который собрал его образцы и в университете Канзаса с помощью химиков Кэди Гамильтона и Дэвида Макфарланда обнаружил, что тот содержит 72% азота, 15% метана, 1% водорода и 12% не было идентифицировано. Проведя последующие анализы, ученые обнаружили, что 1,84% пробы составляет гелий. Так узнали о том, что данный химический элемент присутствует в огромных количествах в недрах Великих равнин, откуда его можно извлечь из природного газа.

Промышленное производство

Это сделало Соединенные Штаты лидером мирового производства гелия. По предложению сэра Ричарда Трельфалла, ВМС США профинансировали три небольших экспериментальных завода для получения этого вещества во время Первой мировой войны с целью обеспечить заградительные аэростаты легким негорючим подъемным газом. По данной программе были произведены в общей сложности 5700 м 3 92-процентного He, хотя до этого были получены лишь менее 100 л газа. Часть этого объема была использована в первом в мире гелиевом дирижабле С-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс в Боллинг-Филд 7 декабря 1921 года.

Хотя процесс низкотемпературного сжижения газа в то время не был достаточно разработан, чтобы оказаться существенным во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах. Спрос на него вырос во время Второй мировой войны, когда его стали применять при экранированной дуговой сварке. Элемент также имел важное значение в проекте создания атомной бомбы «Манхэттен».

Национальный запас США

В 1925 году правительство Соединенных Штатов создало Национальный запас гелия в Амарилло, штат Техас, с целью обеспечения военных дирижаблей во время войны и коммерческих воздушных кораблей в мирное время. Использование газа после Второй мировой сократилось, но запас был увеличен в 1950-х годах для обеспечения, среди прочего, его поставок в качестве теплоносителя, применяемого в производстве кислородно-водородного ракетного топлива в период космической гонки и холодной войны. Использование гелия в США в 1965 году в восемь раз превысило пиковое потребление военного времени.

После принятия закона о гелии 1960 года Горное бюро подрядило 5 частных предприятий для извлечения элемента из природного газа. Для этой программы был построен 425-км газопровод, соединивший эти заводы с правительственным частично истощенным газовым месторождением неподалеку от Амарилло в Техасе. Гелий-азотная смесь закачивалась в подземное хранилище и оставалась там, пока в ней не возникала необходимость.

К 1995 году был собран запас объемом миллиард кубометров, а задолженность Национального резерва составила 1,4 млрд долларов, что побудило Конгресс США в 1996 г. поэтапно отказаться от него. После принятия в 1996 г. закона о приватизации гелия Министерство природных ресурсов приступило к ликвидации хранилища в 2005 году.

Чистота и объемы производства

Гелий, произведенный до 1945 года, имел чистоту около 98%, остальные 2% приходились на азот, что было достаточным для дирижаблей. В 1945 г. было произведено небольшое количество 99,9-процентного газа для использования в дуговой сварке. К 1949 г. чистота получаемого элемента достигла 99,995%.

На протяжении многих лет Соединенные Штаты производили более 90% мирового объема коммерческого гелия. Начиная с 2004 года, ежегодно его вырабатывалось 140 млн м 3 , 85% из которых приходится на США, 10% производилось в Алжире, а остальное - в России и Польше. Основными источниками гелия в мире являются газовые месторождения Техаса, Оклахомы и Канзаса.

Процесс получения

Гелий (чистотой 98,2%) выделяют из природного газа путем сжижения других компонентов при низких температурах и при высоких давлениях. Адсорбция других газов охлажденным активированным углем позволяет добиться чистоты 99,995%. Небольшой объем гелия производится при сжижении воздуха в больших масштабах. Из 900 т воздуха можно получить около 3,17 куб. м газа.

Сферы применения

Благородный газ нашел применение в разных областях.

Гелий, свойства которого позволяют получать сверхнизкие температуры, используется как охлаждающий агент в Большом адронном коллайдере, сверхпроводящих магнитах аппаратов МРТ и спектрометров ядерного магнитного резонанса, спутниковой аппаратуры, а также для сжижения кислорода и водорода в ракетах «Аполлон».
В качестве инертного газа для сварки алюминия и др. металлов, при производстве оптоволокна и полупроводников.
Для создания давления в топливных баках ракетных двигателей, особенно тех, которые работают на жидком водороде, т. к. только гелий газообразный сохраняет свое агрегатное состояние, когда водород остается жидким);
He-Ne используются для сканирования штрих-кодов на кассах в супермаркетах.
Гелий-ионный микроскоп позволяет получить лучшие изображения, чем электронный.
Благодаря высокой проницаемости благородный газ используется для проверки утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а также для быстрого наполнения подушек безопасности при столкновении.
Низкая плотность позволяет наполнять декоративные шары с гелием. Инертный газ заменил взрывоопасный водород в дирижаблях и воздушных шарах. Например, в метеорологии, шары с гелием используются для подъема измерительных приборов.
В криогенной технике служит теплоносителем, поскольку температура этого химического элемента в жидком состоянии минимально возможная.
Гелий, свойства которого обеспечивают ему низкую реактивность и растворимость в воде (и крови), в смеси с кислородом нашел применение в дыхательных составах для подводного плавания с аквалангом и проведения кессонных работ.
Метеориты и горные породы анализируются на содержание данного элемента для определения их возраста.