Изотоп на миллион: что такое гелий-3 и почему его хотят добывать на Луне
Многие века люди смотрят на Луну и задают вопросы. Как она образовалась? Почему растет и убывает? Из чего сделана? На все это наука уже дала свои ответы. Но теперь, когда новые лунные экспедиции перестали быть фантастикой, все чаще звучит другой вопрос: как на Луне заработать?
Ради чего люди готовы бурить Луну
Некоторые ученые и предприниматели считают, что правильный ответ — гелий-3. Это редкий изотоп гелия, который необходим для систем охлаждения квантовых компьютеров: он позволяет вычислительной технике работать при температурах всего на доли градуса выше абсолютного нуля. Изотоп используют для создания передовых систем медицинской визуализации, а в перспективе он может стать экологически безопасным топливом для термоядерной энергетики.
На Земле гелия-3 почти нет. Его запасы появляются как побочный продукт распада трития, редкого изотопа водорода, который используют при создании ядерного оружия. В мире производят лишь несколько килограммов гелия-3 в год. При этом цена одного килограмма составляет около 20 миллионов долларов.
По некоторым оценкам, в верхнем слое лунной поверхности может находиться около миллиарда килограммов гелия-3. Правда, чтобы заработать на этом редком веществе, нужно сначала доказать, что на Луне действительно есть богатые залежи, а потом научиться добывать изотоп в промышленных масштабах.
Как образуется гелий-3
Гелий-3 — это изотоп гелия, который содержит на один нейтрон меньше, чем гелий-4. Оба — единственные стабильные изотопы гелия.
Гелий-4 появляется естественным образом при распаде урана и тория в мантии, поэтому встречается довольно часто. Природные запасы гелия-3 образовались в первые минуты после Большого взрыва. На Земле этот изотоп оказался на самых ранних этапах формирования планеты, поэтому он находится очень глубоко. До поверхности доходят лишь его следы, которые попадают в атмосферу благодаря вулканической активности.
На Луне следы гелия-3 обнаружили еще в 1970-х годах, когда миссия «Аполлон» доставила на Землю образцы лунного грунта. Позже китайская лунная программа «Чанъэ» нашла изотоп и на видимой, и на обратной стороне спутника нашей планеты. [1] В этих пробах содержание гелия-3 исчислялось миллионными долями, но даже это количество оказалось гораздо выше, чем в земных породах.
На Луне изотоп появляется благодаря солнечному ветру — потоку заряженных частиц, которые непрерывно бьют по лунной поверхности. Атмосфера и магнитное поле Земли надежно защищают нас от такого воздействия Солнца. Но Луна, у которой нет атмосферы, принимает удар на себя. Заряженные частицы, исходящие от солнца, приносят с собой и гелий-3, оседающий на лунной поверхности.
В грунте Луны изотоп удерживает особый минерал — ильменит, состоящий из соединения железа, титана и кислорода. Исследователи сравнивают его с губкой, удерживающей вещества, принесенные солнечным ветром. [2]
Как найти на Луне редкий изотоп
Чтобы отыскать на Луне гелий-3, сначала нужно найти участки, богатые ильменитом. Обычно минерал встречается в районах лунных морей — темных пятен на поверхности спутника Земли, которые являются древними лавовыми равнинами. Затем стоит выбрать области, хорошо облучаемые солнечным ветром. Чаще всего это экваториальные зоны на обратной стороне Луны.
После этого нужно понять, как на конкретный участок влияли метеоритные удары, потому что они могут, как помочь накоплению гелия-3, так и помешать ему. Когда на Луну падают метеориты, они переворачивают реголит — сыпучий грунт, покрывающий лунную поверхность. Перемешивание породы и нагрев из-за метеоритного удара могут «выветрить» изотоп из грунта. С другой стороны, такие удары открывают новые слои ильменита для воздействия солнечного ветра и перемещают уже обогащенные гелием-3 минералы на несколько метров вглубь спутника.
Дальше нужна проверка на месте. Обнаружить гелий-3 в лунной породе можно только масс-спектрометром — высокоточным прибором, который анализирует изотопный состав вещества. Проверять грунт будут роботизированные луноходы со специальной аппаратурой и буровыми установками. Только после таких проверок станет понятно, сколько в грунте изотопа и на какой глубине он находится.
Например, луноход NASA VIPER, запуск которого ожидается в 2027 году, будет искать гелий-3 на южном полюсе. Аналогичную задачу будет выполнять и совместный проект Индии и Японии Lunar Polar Exploration, запуск которого запланирован на 2028 год.
Как будет выглядеть добыча гелия-3
Итак, допустим, удалось обнаружить на Луне участки, богатые гелием-3. Как организовать его добычу? Гелий-3 рассеян в реголите в крошечных количествах. Чтобы его получить, этот грунт придется собирать, нагревать, высвобождать захваченные частицы, а затем отделять нужный изотоп от остального вещества. После этого добытый материал нужно безопасно упаковать и отправить на Землю. Как это воплотить на практике, пока еще никто не знает. На Луне гелий-3 никогда не добывали.
Но желающие попробовать уже есть. Например, одна из американских компаний уже продемонстрировала прототип экскаватора, который, как предполагается, сможет перерабатывать 100 тонн лунного реголита в час.
Компания строит лабораторию для создания имитации лунного грунта из вулканического порошкообразного материала, похожего на настоящий реголит. Часть этих образцов планируют насыщать гелием-3 и использовать для проверки методов извлечения изотопа.
Есть и другой проект. Если хотя бы один из них докажет жизнеспособность добычи гелия-3, на Луне может начаться новая «золотая лихорадка».
По материалам www.scientificamerican.com.
