- Skąd się bierze hel-3?
- Synteza termojądrowa
- Wyścig
- Więcej o helu-3
- Przyszłość
- Inne wpisy w kategoriach: Kosmos, eksploracja Kosmosu
We wpisie Janusowe oblicze Księżyca poruszyłem temat „ciemnej” strony Księżyca, jakże innej od tej „jasnej”. Nasza fascynacja Księżycem nie mija. Po zakończeniu cyklu misji Apollo i dziesięcioleciach posuchy w eksploracji tego globu, widzimy powrót zainteresowania Księżycem. Przyczyn jest kilka. Oprócz naturalnej, naukowej ciekawości i poszukiwania odpowiedzi na pytania dotyczące genezy Księżyca, zainteresowano się też aspektem praktycznym, czyli możliwością eksploatacji zasobów helu-3 (3He), stabilnego izotopu helu, mogącego być paliwem w reakcji kontrolowanej syntezy jądrowej. Wprawdzie izotop ten występuje na Ziemi, ale w bardzo niewielkich ilościach, w większości w płaszczu Ziemi (0,1-1 miliona ton). Szacuje się, że źródła gazu ziemnego w Stanach Zjednoczonych mogą łącznie zawierać jedynie pół tony 3He. Dodatkowo kolejne 1200 ton może być zawarte w cząstkach pyłu międzyplanetarnego osadzonego na dnie oceanów. Jednak ekstrakcja helu-3 z tych źródeł zużyłaby więcej energii niż może wyzwolić synteza termojądrowa przeprowadzona z jego wykorzystaniem.
Skąd się bierze hel-3?
Hel-3 jest nuklidem pierwotnym, pierwotną materią kosmiczną, z której powstawała Ziemia. Jest produktem reakcji termojądrowych zachodzących w gwiazdach, wyrzucanym w przestrzeń kosmiczną i wchodzącym w skład ośrodków międzygwiazdowych (ISM – Interstellar Medium), o których pisze Mirosław Dworniczak w tekście Organiczne odpadki z fabryki gwiazd – część 2. Jest też wyrzucany ze Słońca w trakcie jego „normalnej pracy”, osiadając na planetach i księżycach Układu Słonecznego. I ten właśnie, zawarty w skałach księżycowych hel-3, budzi tak wielkie zainteresowanie, zwłaszcza ten z ciemnej jego strony, gdzie jest go po prostu więcej.
Synteza termojądrowa
Aż chciałoby się powiedzieć z syntezy termojądrowej powstałeś, do syntezy termojądrowej powrócisz. Hel-3 powstaje w wyniku burzliwych przemian we wnętrzach gwiazd i może kończyć swój żywot w podobnej reakcji. Nie bez kozery napisałem „kończyć”, bo w wyniku połączenia jądra deuteru z jądrem helu-3 powstaje coś zupełnie innego: zwykły hel-4 i jeden swobodny proton. I niebagatelna ilość energii, bo 18,3 MeV (z jednego aktu syntezy). Reakcja alternatywna, czyli połączenie dwóch jąder helu-3 daje w efekcie jedno jądro helu-4, dwa protony i 12,86 MeV energii. Dużo? Dużo, bo wyzwolona energia termiczna (foton) jest równoważnikiem różnicy mas nukleonów po obu stronach tego równania. Na Ryc.1 przedstawiona jest schematycznie pierwsza z wymienionych reakcji.
Dlaczego synteza z wykorzystaniem helu-3 jest tak atrakcyjna? Powód jest prosty – reakcja tego typu jest ekologicznie „czysta”. W odróżnieniu od klasycznej reakcji syntezy deuteru i trytu nie powstają w jej wyniku wysokoenergetyczne neutrony. Neutronów, obojętnych elektrycznie, nie można tak łatwo powstrzymać, a dodatnie protony są podatne na pole elektryczne i magnetyczne. Synteza helowa jest czysta ekologicznie, zarówno jeśli chodzi o substraty jak i produkty reakcji. Warto dodać, że teoretycznie możliwe jest także wykorzystanie energii pędu wyzwolonego protonu poruszającego się w silnym polu magnetycznym. Warto dodać, że ekologiczność tej syntezy to na razie tylko teoretyczne spekulacje ponieważ reakcja D+3He wymaga dużo wyższych temperatur niż reakcja DT (deuter+tryt), a w związku z tym mogą zajść inne reakcje indukujące radioaktywność w otoczeniu reaktora.
Wyścig
Wyścig na Księżyc na dobre rozpoczął się w 2018 roku, kiedy chiński łazik księżycowy Yutu-2 (Jadeitowy Królik) w ramach misji Chang’e-4 rozpoczął badania skał księżycowych po jego „ciemnej” stronie. Następna misja Chang’e-5 wróciła z Księżyca z próbkami regolitu pobranymi z powierzchni Księżyca i 2,5-metrowych odwiertów, między innymi z minerałem Changesite-(Y), zawierającym hel-3. Planowane są już następne misje, coraz bardziej ambitne, o numerach 6, 7 i 8, a zwieńczeniem programu ma być budowa bazy księżycowej. Najbliższa wyprawa Chang’e-6 ma przywieźć na Ziemię skały z niewidocznej strony Księżyca, co ma także duże znaczenie stricte naukowe, gdyż umożliwi wyjaśnienie prawdopodobnych różnic geologicznych (a może selenologicznych?) między jasną i ciemną stroną Księżyca.
Amerykanie też mają plany podboju Księżyca. Program Artemis, którego częścią ma być misja Artemis II, to misja załogowa mająca na celu okrążenie Księżyca i powrót na Ziemię. Jest (będzie) to wydarzenie symboliczne, powrót na Księżyc po kilkudziesięciu latach nieobecności. O misji Artemis II pisała w 2022 roku Tatiana Pandora Saternus we wpisie Powrót na Księżyc: załoga Artemis II. W międzyczasie (styczeń 2024) NASA przesunęła datę startu z listopada 2024 na bliżej nie określony termin, nie wcześniej niż we wrześniu 2025.
Pierwsza indyjska sonda księżycowa Chandrayaan-1, należąca do Indyjskiej Organizacji Badań Kosmicznych, wystrzelona w październiku 2008 r., miała za zadanie stworzenie pełnej mapy składu chemicznego powierzchni i trójwymiarowej topografii Księżyca. Nieoficjalnie mówi się o mapie powierzchni Księżyca pod kątem minerałów zawierających hel-3. Z powodu problemów technicznych misja (planowana na dwa lata) została przerwana po niecałym roku działalności.
Jak widać Księżyc z roku na rok stał się bardzo interesującym obiektem badań, po raz pierwszy w historii motywowanych bardziej względami gospodarczymi niż czystą naukową ciekawością.
Więcej o helu-3
Hel-3 został po raz pierwszy wyizolowany w 1939 roku przez Luisa Alvareza i Roberta Cornoga. Z początku uważano, że jest radioaktywny, do czasu aż odkryto go w próbkach naturalnego helu pochodzących z atmosfery i głębokich odwiertów. Ciekawostką jest różna klasyfikacja 3He i 4He z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Hel-4 mając dwa protony, dwa neutrony i dwa elektrony ma ogólny spin równy zero, czyli jest bozonem, hel-3 mając o jeden neutron mniej, ma ogólny spin wynoszący 1/2, czyli jest fermionem. Niby ciekawostka, a ma wpływ na temperaturę przejścia w stan nadciekłości, co jest wykorzystywane do uzyskiwania ekstremalnie niskich temperatur. Izotop helu 4He przechodzi w stan nadciekły w temperaturze 2,17 K (około -271oC), 3He staje się nadciekły w temperaturze 2,6 mK, czyli prawie w temperaturze absolutnego zera.
Zastosowanie helu-3 to nie tylko hipotetyczne źródło czystej energii pochodzącej z kontrolowanej reakcji termojądrowej. Izotop ten znajduje już obecnie wiele ciekawych zastosowań. Skąd bierzemy hel-3? Niewielkie jego ilości otrzymuje się z gazu ziemnego, ale większość produkcji (w sumie kilkaset kilogramów) to produkt uboczny przechowywania głowic termojądrowych. Tryt, izotop wodoru o masie atomowej 3, używany w tych głowicach jako paliwo, rozpada się na hel-3 spontanicznie w trakcie przechowywania, a jego obecność zmniejsza moc wybuchową ładunku. Z tego powodu jest wydobywany z głowicy i trafia na rynek.
Obecne zastosowania helu-3 to:
- detekcja neutronów,
- kriogenika, mieszanina helu-4 i helu-3 pozwala uzyskać temperatury rzędu kilku tysięcznych kelwina,
- poprawienie rozdzielczości obrazowania medycznego MRI, szczególnie w badaniu płuc, gdzie tylko wysoka jakość i rozdzielczość obrazu pozwalają na dokładną diagnostykę,
Przyszłość
Renesans zainteresowania Księżycem jest faktem, a misje rozpoznawcze na pewno będą kontynuowane. Badanie skał regolitowych, oprócz korzyści naukowych, przyniesie odpowiedź na wiele pytań ze sfery gospodarczej, dotyczących przede wszystkim zawartości helu-3 i wody w materii księżycowej. Oprócz zagadnień natury naukowej powstaje na naszych oczach nowy obszar działalności człowieka, nieuregulowany prawnie. Nie ma ram prawnych dla prac wydobywczych i eksploatacyjnych, a także dla kwestii własności obiektów kosmicznych. Być może Księżyc uzyska status podobny do statusu Antarktydy. Albo Berlina Zachodniego, podzielonego na strefy wpływów. Podobny, bo co począć z regulacjami dla działalności gospodarczej i nieuchronnymi zniszczeniami natury tego globu? Co powie nauka na zanieczyszczenie i zniszczenia powierzchni Księżyca? Księżyc nie ma atmosfery i każdy ślad przysłowiowej ciężarówki pozostanie tam na wieki wieków. Jest o czym myśleć.
Wszystkie wpisy w kategoriach: Kosmos, eksploracja Kosmosu
- Księżyc Zatoką Perską przyszłości?
- WSPÓLNOTA CZERWIENI cz. 57
- Czy może istnieć życie na Enceladusie?
- Nie tylko grawastary, czyli Kosmiczne Jajo i inne teorie
- W poszukiwaniu pomidora, który zaginął na orbicie
- WSPÓLNOTA CZERWIENI cz. 52
- Życie w Kosmosie[3]. Wszechświat uszyty na miarę
- WSPÓLNOTA CZERWIENI cz. 51
- Życie w Kosmosie[2]. Chyba jednak jesteśmy jedyni
- Życie w Kosmosie, czyli z pamiętnika malkontenta
- Kosmiczny streaming wideo
- Janusowe oblicze Księżyca
- Euclid, czyli kolejny teleskop w punkcie Lagrange’a
- Sonda Psyche: w drodze do metalowego świata
- Kapsuła z sondy OSIRIS-REx wróciła na Ziemię
- Ozyrys wraca na Ziemię
- Kosmiczne laboratorium chemiczne – część 2
- Kosmiczne laboratorium chemiczne – część 1
Szereg pytań się rodzi po przeczytaniu artykułu.
1. Czy znamy szacunkowe ilości helu-3 w regolicie/Changesite-(Y)? Inaczej, ile szacunkowo można pozyskać helu-3 z Księżyca?
2. Czy pozyskanie helu-3 będzie na Księżycu, czy na Ziemi.
W sumie pisząc ostatnie pytanie, sam sobie odpowiadam, że to by było nieekonomiczne (MbSZ), bo tak czy siak bazy/noclegi/życie/odpoczynek musza powstać, kopalnie (odkrywkowe) również, a ponadto trzeba by rozwiązać problem transportu dużej masy “urobku” na Ziemię oraz powstaje drugie zagadnienie, czy w pewnym momencie nie powinniśmy “uzupełniać” masy Księżyca?
W przypadku pozyskiwania helu-3 na Księżycu dochodzi tylko zbudowanie dodatkowo “rafinerii”. Mam jeszcze wiele pytań odnośnie “Zatoki Perskiej na niebie”
Na razie prace polegają na oszacowaniu mapy stężeń ppb helu-3. Wiadomo tylko tyle, że jest sporo wyższe niż na Ziemi, szczególnie po ciemnej stronie. Czas pogania, bo krzywa zapotrzebowania już dawno przekroczyła krzywą podaży, i to tylko w zastosowaniach obecnych. Ciekawostką jest też znaczny wzrost zużycia do celów badawczych, co nadaje sprawie większej powagi. I świadczy o prawdopodobnym bliskim przekroczeniu granicy między czystą i niewinną nauką a komercją, niekoniecznie energetyką jądrową.
Nie ekscytuje mnie księżycowy hel 3, a to z dwóch względów. Po pierwsze – wydaje mi się, że znacznie wcześniej niż opanowanie energetyki termojądrowej (nawet tej opartej na deuterze i trycie) rozwinie się energetyka oparta na reaktorach neutronów prędkich, oraz na wykorzystujących tor zamiast uranu. Obie te technologie jądrowe są znacznie “czystsze” i bezpieczniejsze (a z powodu braku konieczności wzbogacania uranu tańsze) niż obecna energetyka jądrowa na neutronach termicznych, pozwalają też “dopalić” zalegające na składowiskach uciążliwe odpady nuklearne, same zaś generują kilkadziesiąt razy mniej odpadów, w dodatku o krótszym okresie koniecznego przechowywania. Tak więc hel 3 być może w ogóle nie będzie wykorzystywany do celów energetycznych, nie będzie takiej potrzeby. A po drugie – Księżyc ma surowce pozwalające na rozwój księżycowego przemysłu (m.in. tytan, żelazo lantanowce), a jeśli taki przemysł tam powstanie (prawdę mówiąc nie jeśli, a kiedy), to może stać się bazą do prawdziwego podboju kosmosu (nie takiego raczkowania jak dotychczas). Budowane na Księżycu statki kosmiczne mogą z niego wzlecieć znacznie mniejszym nakładem energii niż z Ziemi, z powodu niższej niż ziemska księżycowej grawitacji, łatwiej też będzie je projektować i budować, bo nie muszą mieć aerodynamicznych kształtów i mocnej, względnie ciężkiej budowy (z racji mniejszych przeciążeń przy starcie). Tak więc jawi mi się Księżyc nie jako kopalnia helu 3 bynajmniej, a jako ośrodek przemysłu kosmicznego i baza podboju kosmosu.