0
3896
Газета Наука Печатная версия

22.03.2006 00:00:00

Персидский залив XXI века

Эрик Галимов

Об авторе: Эрик Михайлович Галимов - директор Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, академик, член президиума РАН.

Тэги: луна, гелий3, колонизация

Интерес, который вызывает в последнее время концепция развития земной цивилизации за счет энергоресурсов, доставляемых с Луны (речь идет прежде всего о легком изотопе гелий-3), неслучаен. Эта вроде бы чисто научно-технологическая проблема оказывается из разряда тех, которые могут изменить не только образ жизни землян, но и самые глубинные мировоззренченские постулаты. «НГ-наука» уже несколько раз достаточно подробно представляла точки зрения как сторонников, так и противников этой концепции (см. «НГН» от 28 сентября 2005 г., 22 февраля 2006 г.) Эти и некоторые другие публикации вызвали довольно заинтересованную реакцию экспертного сообщества. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию статью одного из ведущих мировых селенологов, академика Эрика Галимова. Как нам кажется, она представляет вполне взвешенный подход к проблеме и снимает многие вопросы. Хотя, наверное, порождает и многие новые.
Андрей Ваганов

луна, гелий-3, колонизация Колонизация Луны – это давняя 'фишка' человечества.
Джек Коггинс, 'Лунная станция', 1952 г.

Ученые заговорили о возможности использования привозимого с Луны гелия-3 (3Не) в конце 80-х – начале 90-х годов. Первая публикация на эту тему появилась в 1987 году. В 1995 году на заседании президиума Российской академии наук был поставлен доклад «О необходимости возвращения к исследованиям Луны». В числе других была упомянута проблема скорого исчерпания энергетических ресурсов и возможное ее решение в будущем за счет гелия-3, привозимого с Луны. В 1998 году в Москве состоялась 3-я Международная конференция по исследованию и освоению Луны, на которой двое американских ученых сделали сообщение под интригующим названием: «3Не на Луне – Персидский залив XXI века». В 2003 году президиум РАН обсудил доклад «О состоянии исследования Луны и планет», в котором снова был поставлен вопрос о гелии-3. На этот раз проблема была услышана.

Проблема энергоресурсов

Нефть и газ сегодня занимают 60–80% в мировом энергобалансе. Существуют разные оценки, но в любом случае углеводородное топливо при современных объемах потребления будет исчерпано до конца этого века. Умеренные оценки предсказывают истощение запасов через 40–50 лет.

Энергопотребление на планете неизбежно будет возрастать. К 2050 году ожидается увеличение населения Земли вдвое. Развивающиеся страны резко наращивают экономический потенциал, в особенности Китай и Индия. Если потребление энергии в этих странах на душу населения приблизится к энергопотреблению в США, Европе и Японии, то мировое энергопотребление может возрасти в 5–8 раз.

Каковы возможности замещения нефти и газа в энергобалансе? Существует немало альтернативных источников энергии. Однако даже в совокупности альтернативные источники не способны обеспечить полное замещение углеводородного топлива. Главный недостаток большинства из них в том, что они рассчитаны на потребление рассеянной энергии с малой удельной мощностью. Поэтому даже при теоретически больших ресурсах реальная возможность использования этих источников энергии ограниченна.

Какое бы место ни занимали в будущем альтернативные источники энергии, принципиальное разрешение энергетической проблемы может дать только использование ядерной энергии. Но развитие атомной энергетики сдерживается ее страшным недостатком: производством радиоактивных отходов. Человечество уже сегодня знакомо с последствиями развития ядерных технологий: устрашающими объемами накопленных радиоактивных отходов, необходимостью захоронения атомных реакторов и конструкционных материалов. Массовое развитие атомной энергетики в ее современном варианте неизбежно имело бы катастрофические последствия для экологии.

Термояд на основе гелия-3

Сегодня промышленная атомная энергия вырабатывается только за счет реакции деления ядер урана. Термоядерная энергия известна человечеству только в виде водородной бомбы. Над решением проблемы управляемого термоядерного синтеза наука бьется уже более 50 лет.

В настоящее время удалось почти вплотную приблизиться к цели. Полагают, что она будет достигнута в ближайшие годы при реализации Международного проекта исследовательского термоядерного реактора ИТЭР (ITER). Это будет ядерная реакция дейтерия (D) – тяжелого стабильного изотопа водорода, с тритием (Т) – тяжелым радиоактивным изотопом водорода. В результате образуется гелий-4 (4Не) – основной изотоп гелия и нейтроны.

Проблема радиоактивного загрязнения относится и к термоядерному синтезу, основанному на реакции: D + T> 4Не + n (нейтрон). Правда, радиоактивное загрязнение в этом случае меньше, чем при делении урана.

Реакция дейтерия с редким изотопом гелия-3 требует еще более высоких температур, то есть еще более трудно достижимых условий синтеза. Но главное и самое удивительное в том, что термоядерный синтез, основанный на использовании изотопа гелия-3, может быть экологически чистым. Кажется фантастичным, что существует термоядерный процесс, практически не несущий радиоактивности. Но это – факт.

Дело в том, что ядерная реакция с участием гелия-3 имеет одну особенность, которая делает ее уникальной. В ядерных реакциях, в том числе в реакции синтеза D + T, выделяется мощный, пронизывающий все вокруг поток нейтронов. Нейтроны – быстрые незаряженные (нейтральные) частицы. Они легко проникают внутрь любых материалов, взаимодействуют с химическими элементами и делают их радиоактивными. В реакции D + 3Не > 4Не + p (протон) выделяются не нейтроны, а протоны. С этим связан ряд замечательных преимуществ.

Во-первых, протоны, будучи заряженными частицами, не могут проникать в глубь конструкционных материалов. Поэтому в отличие от нейтронов они не делают эти материалы радиоактивными. Некоторая радиоактивность связана с побочной реакцией D + D. Идеальной была бы реакция 3Не + 3Не > 4Не + 2p. Но осуществление ее требует слишком жестких условий. Это – вопрос более отдаленного будущего. Тем не менее подавляющий выход термоядерной энергии в виде протонов делает реакцию с участием гелия-3, с одной стороны, высокоэффективной, а с другой – минимально радиоактивной.

Во-вторых, нейтроны не только наводят радиоактивность, но и вызывают радиационные повреждения материалов. Это очень быстро делает материалы непригодными к дальнейшему употреблению, требует их изъятия и захоронения в виде радиоактивных отходов. Протоны не повреждают материалы. В отсутствие нейтронного облучения конструкционные элементы термоядерного реактора, использующие гелий-3, могут служить очень долго, в отличие от материалов урановых реакторов и термоядерных реакторов, использующих реакцию дейтерий плюс тритий.

В-третьих, поскольку протоны – заряженные частицы, а электрический ток – это поток заряженных частиц, становится возможным прямое преобразование термоядерной энергии в электрическую, минуя тепловое преобразование. Это позволяет использовать в случае гелия-3 гораздо более эффективные инженерные решения для отбора энергии.

Наконец, в-четвертых, практическое отсутствие радиоактивности и взрывоопасности делает установки термоядерного синтеза на гелии-3 совершенно безопасными в аварийных условиях, в том числе в условиях природных катастроф, террористических актов и т.п.

Экологическая чистота и энергетическая эффективность делают термоядерный синтез на гелии-3 непревзойденным источником энергии. Солнце светит благодаря идущему в его недрах термоядерному синтезу. Овладев им, человечество приобщилось бы к эксплуатации вечного источника энергии.

Природа лунного гелия-3

Однако на пути к достижению конечной цели есть две большие трудности. Первая состоит в том, что гелия-3 практически нет на Земле. Он есть на Луне. Но возможно ли организовать его добычу и доставку на Землю? Насколько это экономически целесообразно?

Вторая трудность состоит в том, что на Земле пока отсутствует технология управляемого термоядерного синтеза. Задача не решена, несмотря на многолетние усилия, даже для более простой реакции синтеза на дейтерии (D) и тритии (Т). Синтез же с участием гелия-3 требует еще более жестких условий.

Прежде чем ставить сложную задачу освоения промышленного термоядерного синтеза на гелии-3, нужно оценить, насколько реальна добыча и доставка гелия-3 с Луны в необходимых количествах и каковы его запасы.

Луна, лишенная атмосферы и защитного магнитного поля, подвергается мощному облучению потоком испускаемых Солнцем легких атомов: водорода, гелия, углерода, азота и других. Этот поток, называемый солнечным ветром, попадает на поверхность Луны. Поскольку на Луне нет активных геологических процессов и круговорота веществ, находящийся на поверхности пылевидный материал, называемый реголитом, миллиарды лет накапливает частицы солнечного ветра, в том числе гелия.

Содержание гелия в реголите (лунном грунте) зависит от многих факторов. Прежде всего это – возраст реголита. Чем дольше облучается поверхность, тем больше накапливается в ней внедрившихся частиц солнечного ветра. Крупность зерен реголита также имеет значение. Слишком крупные зерна имеют малую относительную поверхность, а очень мелкие не удерживают гелий. Оптимальным является размер 20–50 микрон (0,02–0,05 мм). Концентрация гелия зависит также от минерального состава зерен реголита. Лучше всего гелий накапливается в ильмените – минерале, содержащем титан (FeTiO3). Луна богата этим минералом.

На каждый атом гелия-3 приходится 3000 атомов обычного гелия (4Не), от которого полезный гелий-3 нужно отделить. В одной тонне лунного реголита содержится в среднем всего около 10 миллиграммов 3Не.

Энергетическая ценность и запасы

Чтобы добыть одну тонну гелия-3, нужно переработать 100 млн. тонн лунного грунта, т.е. участок лунной поверхности площадью 20 квадратных километров на глубину 3 м.

Зато энергетическая мощность гелия-3 огромна. Одна тонна этого вещества обеспечивает работу агрегатов мощностью 10 Гвт (Гвт – миллион киловатт) в течение года. Энергетическая мощность электростанций России составляет 215 Гвт. Иначе говоря, для обеспечения России нужно приблизительно 20 тонн гелия-3 в год. Для обеспечения современной мировой потребности потребуется около 200 т гелия-3 в год. Во второй половине XXI века эта величина, возможно, возрастет до 800–1000 т/год. Запасы гелия-3 на Луне составляет около 1 млн. т. Таким образом, их хватит более чем на тысячу лет.

Экономическая целесообразность

Одна тонна гелия-3 заменяет 20 млн. тонн нефти. При современной стоимости нефти около 50 долларов за баррель стоимость 20 млн. тонн нефти составляет 10 млрд. долларов. Это и есть современная цена 1 тонны гелия-3.

Транспортировка одного килограмма груза на траектории Земля–Луна–Земля составляет сегодня приблизительно 20–40 тыс. долларов. Чтобы перевезти 1 т гелия-3, придется перевозить 2–5 т сопровождающего груза в виде контейнеров, охлаждающего оборудования и т.д. Таким образом, перевоз с Луны одной тонны гелия-3 обойдется в 100 млн. долларов. Кажется, огромная сумма. Но это всего лишь 1% того, что стоит энергия, которую одна тонна гелия-3 может обеспечить на Земле.

Для того чтобы организовать добычу 3Не на Луне в промышленных масштабах, потребуется развернуть на Луне целую индустрию. Во-первых, придется вскрыть и переработать лунный грунт на площади в сотни квадратных километров. Затем выделить гелий из реголита при температуре 600╠–800╠С. Из выделенного гелия нужно методами изотопного фракционирования получить чистый изотоп 3Не. Из каждого килограмма гелия можно получить максимум 0,3 грамма 3Не.

Гелий-3 для целей транспортировки придется сжижать. С процессом сжижения и хранения жидкого гелия неизбежно связаны потери. Понятно, что первоначальные затраты, связанные с завозом оборудования, развертыванием лунной базы и организацией крупномасштабной добычи, будут велики. В то же время следует учесть, что в инженерном отношении все эти процедуры хорошо известны и достаточно просты. Гелий заключен в сорбированном состоянии в рыхлом грунте, залегающем на самой поверхности. Поэтому после создания необходимого производства расходы на добычу и эксплуатацию соответствующей инфраструктуры должны быть умеренными.

По расчетам американского астронавта Гаррисона Шмита, по профессии геолога, побывавшего на Луне в составе американской экспедиции «Аполло-17», использование гелия-3, включая все виды расходов на его добычу и доставку, станет коммерчески выгодным, когда производство термоядерной энергии на гелии-3 на Земле достигнет мощности 5 Гвт. По мнению Шмита, предварительные расходы на стадии research & development (исследование и развитие), которые, очевидно, должно взять на себя государство, составят около 15 млрд. долларов. Затем лунный энергетический проект станет привлекательным для частных инвестиций, поскольку он станет прибыльным.

Лунная промышленность

Добыча гелия-3 неизбежно вызывает к жизни целый ряд сопряженных производств. При переработке грунта и десорбции гелия выделяться будет не только гелий, но в еще больших объемах другие элементы, в том числе водород и углерод. Нетрудно также наладить производство кислорода из силикатов. Это значит, что непосредственно на Луне можно организовать производство топлива и окислителя для ракет-носителей.

Лунный грунт богат титаном. Выплавка титана позволит производить тяжелые элементы конструкции и корпусов ракет прямо на Луне. С Земли придется доставлять только высокотехнологичные элементы. Необходимая для жизнедеятельности людей и некоторых технологических процессов вода также может производиться на Луне.

Развертывание постоянных лунных баз позволит использовать пребывание человека на Луне не только для добычи гелия-3, но и для других целей. Луна – самый экономичный космодром, который сделает доступным крупномасштабное исследование Солнечной системы. На Луне могут и должны быть развернуты системы контроля астероидной опасности, мониторинга и раннего предупреждения катастрофических явлений и событий на Земле, исследования дальнего космоса и многое другое, что сейчас даже трудно представить.

Что для реализации всего этого нужно сделать?

Прежде всего нужно осознать, что нехватка энергии в ближайшие десятилетия – это реальная проблема для всех жителей Земли, от которой не спрятаться, не уйти. Во-вторых, по-видимому, единственным тотальным и долговременным решением ее, одновременно удовлетворяющим условиям энергетической эффективности и экологической безопасности, является термоядерный синтез на основе использования гелия-3. В-третьих, освоение этого источника энергии – это не очередной проект, который можно решать между делом. Речь идет о гигантской промышленной революции, полное осуществление которой займет, может быть, целое столетие.

Одновременно в нашем сознании поэтический образ далекой Луны должен смениться представлением об объекте практической экономики. После великих географических открытий прошлых веков Луна – это следующий объект приложения изыскательского духа, свойственного человечеству. По последствиям для развития цивилизации освоение Луны аналогично освоению новых континентов. Луна и есть – новый континент, отделенный от Земли океаном космического пространства, который сегодня, однако, легче пересечь, чем Атлантический океан во времена Колумба.

Шаг за шагом – за гелием-3

Несмотря на все эти перспективы, приходится признать тот факт, что пока мы еще очень далеки от возможности их реализации. Когда можно ожидать построения установок термоядерного синтеза на гелии-3? По данным из американских источников, возможно, уже через 15–20 лет, если на этом будут сфокусированы усилия общества и соответствующие инвестиции. Возможно, решение нужно искать на пути синтеза с инерционным удержанием плазмы, а не магнитным удержанием, которое используется в ТОКАМАКах и заложено в основу проекта ИТЭР. Некоторые успешные эксперименты с использованием лазеров и инерционным удержанием уже проведены в США.

Ясно, что гелий-3 понадобится возить с Луны не раньше, чем лет через двадцать. Но для того, чтобы привезти с Луны первую тонну гелия-3, нужно проделать грандиозную работу. Как всегда, когда приступают к разработке какого-либо вида минерального сырья, нужно начать с геологоразведочных работ. Они включают картирование поверхности Луны, выявление и оконтуривание участков с максимальным содержанием полезных компонентов, оценку удобства их эксплуатации. Эта работа должна сопровождаться исследованием геологического строения Луны, выявлением ресурсов для развития локального производства. В том числе большое значение имеет решение вопроса о наличии воды на Луне. Вода в замороженном состоянии может присутствовать в затененных кратерах на полюсах Луны. Свидетельства к этому имеются. Необходима организация экспедиций и исследование образцов с этих участков Луны.

Под ногами американских астронавтов – энергетическое Эльдорадо.
Фото NASA
Следующий шаг – проведение экспериментальных вскрышных работ и работ по десорбции летучих из реголита в условиях Луны. Далее – обустройство лунной базы. Проектирование и испытание устройств, предназначенных для производства гелия-3. Для того чтобы обеспечить только подготовительную стадию работ, понадобится доставить на Луну сотни тонн машин и материалов. Интенсивность полетов на трассе Земля–Луна должна составить несколько запусков в год. Сегодня у нас в программе только один запуск аппарата «Луна-Глоб», запланированный на 2012 год.

Страна, которая опередит другие в освоении Луны, станет лидером в мировой экономике. У России есть уникальные шансы. Мы имеем космическую индустрию и опыт освоения Луны автоматическими космическими аппаратами. Мы имеем развитую ядерную физику и атомную энергетику. За счет добычи нефти и газа страна получила огромные деньги, которые без риска дестабилизировать финансовую ситуацию можно вложить только в наукоемкие высокие технологии. Разумно направить эти деньги на проект, имеющий целью замещение их источника.


Комментарии для элемента не найдены.

Читайте также


Главное средство против стихии – это бюджетные деньги

Главное средство против стихии – это бюджетные деньги

Анатолий Комраков

Правительственный десант укрепит пожарную и паводковую оборону Дальнего Востока

0
623
Единороссы включились в спор о валютном навесе

Единороссы включились в спор о валютном навесе

Михаил Сергеев

Попытка вернуться к виртуальным бумажным госрезервам вызывает отторжение депутатов

0
768
Россия готова предоставить своим партнерам и союзникам новейшие образцы вооружения

Россия готова предоставить своим партнерам и союзникам новейшие образцы вооружения

0
287
ФСБ предотвратила теракт на нефтепроводе в Волгоградской области

ФСБ предотвратила теракт на нефтепроводе в Волгоградской области

0
297

Другие новости