Квантовая революция: Почему гелий-3 на Луне может стать следующей золотой лихорадкой
Редкий изотоп гелий-3 является одним из самых ценных ресурсов Земли — настолько ценным, что его добычу на Луне может оказаться выгодной
С незапамятных времен люди, глядя на Луну, задавали себе важные вопросы. Откуда оно взялось? Почему оно растет и увядает? Оно сделано из сыра?
Теперь у нас есть ответы на большинство из них («гигантское столкновение», «орбитальные фазы» и «к сожалению, нет» соответственно).. Но по мере того, как международная лунная гонка 21-го века набирает обороты, остается один прагматичный вопрос: как вы можете заработать деньги на Луне?
Ответом, по мнению нескольких ученых и предпринимателей, является ресурс, который является исчезающе редким на Земле, но может существовать в изобилии на Луне: гелий-3.
О поддержке научной журналистики
Если вам понравилась эта статья, подумайте о том, чтобы поддержать нашу журналистику, отмеченную наградами, подписавшись на нее. Приобретая подписку, вы помогаете обеспечить будущее впечатляющих историй об открытиях и идеях, формирующих наш современный мир.
Гелий-3 чрезвычайно полезен, и спрос на него стремительно растет. Являясь превосходным теплоносителем, гелий-3 позволяет квантовым компьютерам достигать рабочих температур на доли градуса выше абсолютного нуля. Это ценное вещество также жизненно важно для получения современных медицинских изображений, а также для обнаружения контрабандных ядерных материалов и может стать экологически чистым топливом для будущих термоядерных реакторов. На суше большая часть имеющихся запасов гелия-3 образуется в качестве побочного продукта ядерного оружия в результате радиоактивного распада трития, редкого изотопа водорода, который увеличивает мощность термоядерных бомб. В результате этого процесса во всем мире образуется всего несколько килограммов гелия-3 в год, а один килограмм в настоящее время стоит около 20 миллионов долларов.
Но, по оценкам ученых, на поверхности Луны находится порядка миллиарда килограммов гелия-3. Таким образом, добыча гелия-3 на Луне, похоже, когда-нибудь может стать отраслью с многомиллиардным оборотом.
Все это отличает гелий-3 от другого широко разрекламированного лунного ресурса: водяного льда, найдены в некоторых из самых глубоких и темных кратеров Луны. Эти резервуары могли бы обеспечить водой посевы и астронавтов на любой лунной базе, а вода, расщепленная на составляющие ее водород и кислород, может использоваться для производства ракетного топлива. Но лунная вода мало пригодна для использования на Земле. Таким образом, «гелий-3 — это источник денег», — говорит Клайв Нил, специалист по лунной геологии из Университета Нотр-Дам.
Это предполагает, что там есть»на самом деле на Луне его достаточно, чтобы добывать его с выгодой для себя. «Как только вы докажете, что можете это сделать, вам придется масштабировать проект, что сопряжено с определенными трудностями», — говорит Пол ван Сюзанте, главный исследователь Лаборатории разработки технологий планетарной поверхности Мичиганского технологического университета.
Создание карты сокровищ
Гелий-3 является изотоп гелия, у которого на один нейтрон меньше, чем у его обычного аналога, гелия-4, который является единственным стабильным изотопом гелия. На Земле есть и то, и другое. Гелий-4 естественным образом образуется в мантии при распаде урана и тория, поэтому его там очень много. Большая часть природных запасов гелия-3 образовалась в первые несколько минут после большого взрыва, а запасы Земли были заложены миллиарды лет назад, когда формировалась наша планета. Этот редкий изотоп в основном скрыт глубоко в недрах нашего мира, но исчезающе малые количества выбрасываются наружу при извержениях вулканов и через трубопроводы природного газа.
Исследователи поняли, что Луна является потенциальным источником гелия-3 в 1970-х годах, после того как обнаружили его в кернах, собранных астронавтами во время некоторых миссий НАСА «Аполлон». Китайская роботизированная программа по возврату образцов серии Change’e также обнаружила его на ближней и дальней стороне Луны. В этих образцах присутствуют лишь незначительные следы лунного гелия-3, но эти количества все равно намного превышают земные.
«На Луне есть дополнительный источник гелия, который это солнце», — говорит Сара Рассел, планетолог из Лондонского музея естественной истории. Солнечный ветер — поток заряженных частиц, исходящих из атмосферы Солнца, — уносит в космос различные химические вещества, включая гелий-3. «Земля защищена от этого солнечного ветра благодаря нашей прекрасной атмосфере и магнитному полю. На безвоздушной Луне нет такого экрана, поэтому гелий-3 распыляется по всей лунной поверхности.»
Содержание гелия-3 не гарантируется мы не можем останавливаться на достигнутом, но нам повезло, что у нас есть луна, которая относительно богата ильменитом — минералом, состоящим из железа, титана и кислорода, физическая структура которого действует как ловушка для газа. «Ильменит похож на губку. Он лучше, чем любой другой минерал на Луне, удерживает частицы, привитые солнечным ветром», — говорит Нил. Это означает, что поиск лунного гелия-3 начинается с простого составления минералогических карт поверхности Луны.
Сначала найдите все регионы, богатые ильменитом (которые, как правило, находятся в лунном маре, темные пятна на Луне, обозначающие замерзшие моря древней лавы). Затем убедитесь, что они хорошо защищены от солнечного ветра. Как правило, эти области будут «в большей степени экваториальными и часто — хотя и не исключительно — [будут расположены] на обратной стороне Луны», — говорит Дэвид Лоуренс, планетолог из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса. Наконец, проверьте, относительно ли свободны поверхности от недавних ударов метеоритов, что, предположительно, дает больше возможностей для накопления гелия-3.
Следующим шагом является переход от орбитальных снимков к «наземной проверке». Изотоп может быть непосредственно обнаружен только с помощью такого оборудования, как масс-спектрометр, который использует поглощенное или испускаемое излучение для определения химического состава исследуемого образца. Роботизированные луноходы, оснащенные спектрометрами и буровыми установками, будут играть ключевую роль в таких исследованиях, исследуя запасы гелия-3 как на поверхности Луны, так и непосредственно под ней. Ожидается, что роботизированный марсоход НАСА VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover), запуск которого запланирован на следующий год, будет использовать спектрометры и бортовой бур для поиска на южном полюсе Луны признаков водяного льда и гелия. Проект Lunar Polar Exploration (LUPEX), совместный проект японского и индийского космических агентств, запуск которого запланирован на 2028 год, будет во многом таким же.
Толстые отложения изотопа станет музыкой для ушей тех, кто надеется получить гелий-3. Но они также хотят знать, как быстро поверхностный гелий-3 восстанавливается с помощью солнечного ветра. Если на это уйдет много столетий или даже больше, это говорит о том, что щедрость Луны не сможет долго удовлетворять растущие, более насущные потребности квантовых компьютеров и других технологий. Но гораздо более быстрая частота обновления изменила бы правила игры, повысив вероятность превращения лунного гелия-3 в своего рода возобновляемый ресурс.
«Здесь есть вопросительный знак, но это очень заманчиво», — говорит Нил. «Если гелий-3 является возобновляемым ресурсом, то вас ждет долгосрочное процветание».
Длительные натурные исследования обширных участков Луны».поверхность s в конечном итоге должна дать ответ на этот вопрос.
Сбор-аэрозольной-краски на основе солнечного ветра»
Каким бы простым ни был поиск гелия-3, его извлечение может оказаться намного сложнее. «Это все равно, что пытаться извлечь аэрозольную краску из стены», — говорит Рассел.
Подобно тому, как космические удары могут взбалтывать и нагревать лунный реголит, высвобождая захваченные солнечным ветром частицы, машины могут делать почти то же самое. «Затем вы должны отделить гелий-3 от других веществ, что является нетривиальным процессом», — говорит ван Сюзанте. И затем вы должны отправить его в целости и сохранности обратно на Землю.
Однако до сих пор никто не демонстрировал (и даже не пытался) добычу гелия-3 на Луне. Это является главным приоритетом нескольких компаний, занимающихся космическими ресурсами, включая базирующуюся в Сиэтле компанию Interlune, основанную в 2020 году.
В прошлом году в партнерстве с производителем промышленного оборудования Vermeer Corporation компания Interlune представила прототип экстрактор рассчитан на переработку 100 метрических тонн лунного реголита в час. Компания также создает лабораторию для производства имитированного лунного реголита — порошкообразного вулканического материала, который почти идентичен настоящему. После наполнения некоторого количества этого лунного имитатора гелием-3 компания Interlune будет использовать эти образцы для тестирования своих методов извлечения. А в начале этого месяца NASA заключило с Interlune контракт на сумму 6,9 миллиона долларов на дальнейшую разработку технологии улавливания водорода и гелия.
Планируется, что усилия компании завершатся созданием роботизированного оборудования. Миссия Prospect Moon, запуск которой запланирован на 2028 год. «У нас на борту будет роботизированная рука, масс-спектрометр, камера и три различных устройства, с помощью которых мы продемонстрируем различные методы извлечения газов из солнечного ветра, включая гелий-3», — говорится в сообщении Interluneнаш соучредитель и генеральный директор Роб Мейерсон. «Это то, что нам нужно, чтобы продемонстрировать наше экономическое обоснование для полномасштабных операций на Луне». Помимо отработки методов извлечения гелия-3, еще одним препятствием для перспективной луны Interlune станет устойчивость к агрессивному, клейкому лунному свету. пыль.
Компания определила «небольшое количество [посадочных] площадок» для миссии, говорит Мейерсон, не разглашая дальнейших подробностей. Однако можно с уверенностью сказать, что Interlune будет нацелен на богатые ильменитом участки ближней стороны Луны, расположенные ближе к экватору, где проще всего осуществлять посадку, наземные операции и связь с Землей.
Будь то через Interlune или какой-либо другой претендент на получение значительных запасов гелия-3 на Луне может привести к беспрецедентной лунной «золотой лихорадке».»
Многие критики такого бессмысленного космического стремление к стяжательству противостоит идее слабо регулируемой открытой добычи полезных ископаемых на Луне частным сектором. «Луна, безусловно, принадлежит всем», — говорит Рассел, которого беспокоит совокупное воздействие на окружающую среду многочисленных компаний, производящих гелий-3, работающих на орбитальном спутнике Земли. Мысль об интенсивном механическом сборе урожая, оставляющем обширные выбоины на поверхности Луны — рубцовую ткань, потенциально видимую с Земли, — не вызывает оптимизма.
“»То, что мы делаем, связано с уважением к Луне», — возражает Мейерсон. По его словам, в отличие от открытых горных работ на Земле, Interlune стремится копать на глубину около трех метров, извлекать гелий-3 и не оставлять после себя механических отходов или загрязняющих веществ. (Это, мягко говоря, оптимистичный взгляд на добычу гелия-3; никто пока не может сказать, сможет ли какая-либо версия, фактически развернутая на поверхности Луны, обеспечить такой же порядок.) “ Мы говорили о том, чтобы это место выглядело как вспаханное сельскохозяйственное поле.”
Возможно, самым важным фактором, работающим в пользу гелия-3, является возвращение США на Луну, которое обусловлено целью установления там устойчивого присутствия компании, желающие разрабатывать месторождения на Луне, пользуются этим преимуществом, чтобы опробовать свои технологии для извлечения не только гелия-3, но и бесценного водяного льда. «Добыча гелия-3 не происходит сама по себе», — говорит Дрейер. Но даже администратор НАСА Джаред Айзекман немного скептически относится к экономическим перспективам Луны. Хотя он надеется, что лунную экономику можно стимулировать, недавно он высказал мнение, что добыча различных ресурсов на астероидах может принести большую отдачу, чем добыча гелия-3 на Луне.
Возможно, промышленность, использующая гелий-3 это будет провал. Возможно, на Луне не так много всего, как все надеются. Но, может быть, «мы наткнемся на главную жилу», — говорит Нил. «Если это будет доказано, это может изменить все».
Добавить комментарий
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.