Так есть ли Гелий-3 на Луне? Утверждают, что есть! Другой вопрос — а сколько? Можно ли вести промышленную добычу? Каковы концентрации и где? Что будет в отходах? Вот об этом статья: ПРОЕКТ МИССИИ ПО ПОДТВЕРЖДЕНИЮ ДОСТОВЕРНОСТИ ПРОГНОЗА ЗАПАСОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ДОБЫЧИ ГЕЛИОНА НА ЛУНЕ.
Авторов я уже представлял: ВЯЧЕСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ БОБИН и АННА ВЯЧЕСЛАВОВНА БОБИНА.
Публикуется с любезного разрешения авторов.
ПРОЕКТ МИССИИ ПО ПОДТВЕРЖДЕНИЮ ДОСТОВЕРНОСТИ ПРОГНОЗА
ЗАПАСОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ДОБЫЧИ ГЕЛИОНА НА ЛУНЕ
Бобин Вячеслав Александрович, доктор технических наук, заведующий отделом Института проблем комплексного освоения недр РАН, Москва, bobin_va@mail.ru
Бобина Анна Вячеславовна, кандидат технических наук, директор по развитию
Вольного экономического общества России, Москва, annabobini@mail.ru
Аннотация
В статье предложена и обоснована методика осуществления тестовой миссии по проверке достоверности прогноза количества гелиона в реголите, а также технические средства для ее реализации на базе лунной гироскопической машины и графеновой ловушки.
При этом показано, что для осуществления тестовой проверки достаточно одного запуска ракеты «Протон», способной доставить на Луну необходимые технические средства общей массой не превышающей 1 тонну.
Кроме того, сформулирована идея извлечения гелиона непосредственно из потока солнечного ветра с помощью ловушек с графеновыми ситами и оценена перспектива их практического применения.
Ключевые слова: солнечный ветер, запасы реголита и их достоверность,
роботизированный добычной комплекс, графеновая ловушка гелиона, лунная миссия на «Протоне»
Введение
Эпопея с воплощением идеи использования привозимого с Луны гелия-3 для
будущих термоядерных реакторов началась в конце последнего десятилетия XX века. Для придания космической программе направляющего вектора в сторону освоения не только ближнего к Земле космоса ( станция «Мир», программы «Шатлл» и «Буран»), но и дальнего (Луна и ближайшие в Земле планеты солнечной системы) нужна была аргументированная цель, достижение которой обогатит науку, технологии, бизнес и, конечно, политиков всех рангов. В России первый шаг в этом направлении был сделан академиком Э.Галимовым в 1995 году, когда он в своем докладе на заседании Президиума РАН обосновал решение проблемы исчерпания энергетических ресурсов на Земле за счет гелия -3, добываемого на Луне.
Интерес к этому изотопу гелия обусловлен тем, что его реакция с дейтерием не только энергетически эффективна, но и абсолютно безопасна, так как она не несет радиоактивности. Таким образом, термоядерный синтез, основанный на использовании гелия-3, может быть экологически чистым.
В связи с этим в конце ХХ столетия месторождения гелия-3 на Луне стали называть «Персидским заливом ХХI века».
Интерес к его добыче на Луне не ослабевает даже на фоне интереса к развитию во всем мире всех сегментов так называемой «зеленой энергетики». Она призвана заменить углеводородные источники энергии на возобновляемые (солнечные, ветряные, гидроэнергетические, а также биохимические).
Несмотря на привлекательность «зеленого» пути развития, его возможности по полной замене углеводородов ограничены из-за того, что аккумулирование возобновляемых источников энергии требует больших поверхностей или объемов устройств, преобразующих их в электрическую.
Диалектика развития энергетики в поисках ее безграничного источника приводит благодаря достижениям физики к выводу о том, что только сначала ядерная, а потом и термоядерная энергия могут кардинально решить эту проблему. И в этом смысле термоядерная реакция дейтерия с гелием-3 является наиболее перспективной для энергетики будущего, что и стимулирует исследование Луны с целью добычи на ней этого изотопагелия.
Именно три привлекательные черты термоядерного синтеза на основе гелии-3 вызывают научный и практический интерес среди исследователей и энергетиков России, Индии, Китая и США, которые входят в группу ведущих космических держав, участвующих в соревновании за обладание полезными ископаемыми на Луне.
Обоснование необходимости лунной миссии для подтверждения запасов гелиона в реголите.
В связи с этим предложенные в работе [1] научные основы методов извлечения гелиона из лунного реголита призваны на основе традиционных достижениях горной науки и физической химии эффективно воздействовать на структуру лунной породы таким образом, чтобы перевести гелион из абсорбированного состояния в свободное газообразное, а затем и в жидкое для транспортирования на Землю. Процесс сорбции гелиона из потока солнечного ветра реголитом продолжается уже несколько миллиардов лет, и в этом смысле Луна является естественной ловушкой гелиона. Но процесс накопления го в реголите настолько медленный, что сейчас по разным оценкам [2] его максимальное количество в 1 тонне реголита составляет всего 0,01 г. А для того, чтобы доставить на Землю 1 тонну гелиона необходимо переработать не менее 100 миллионов тонн реголита. В свою очередь для удовлетворения всех энергетических нужд планеты уже сегодня необходимо 200 тонн гелиона, что соответственно потребует переработать не менее 20 миллиардов тонн реголита. Для сравнения укажем, что в настоящее время общемировой объем добычи всех видов руд составляет всего 1 млрд. тонн. Следует учесть то, что такого уровня добычи человечеству понадобилась не одна сотня лет кропотливого труда во всех отраслях науки и промышленности.
Все эти цифры рельефно смотрятся на примере работы рудника «Мир» (ОАО «АЛРОСА»), который имея самую современную технику добычи, способен за год переработать только 1 миллион руды. При этом для работы рудника была построена Вилюйская ГЭС, мощность которой составляет 680 МВт, а фактическая среднемноголетняя выработка составляет 2580 млн.кВт·ч. И порядка 10% этих мощностей потребляется инфраструктурными объектами рудника «Мир».
Таким образом, промышленная добыча гелия-3 – это, скорее всего, проблема XXII и последующих веков, если она вообще состоится на Луне, или будет принято другое решение, связанное с освоением планет Солнечной системы, лежащих за орбитой Марса, где этот газ находится в свободном состоянии и в громадных количествах.
Все это свидетельствует о том, что стандартный и широко используемый на Земле горный метод извлечения полезных ископаемых будь то гелион или другие полезные элементы, содержащиеся в реголите, наталкивается в настоящее время на непреодолимые трудности, связанные с необходимостью иметь в распоряжении технику, способную работать на Луне в условиях повышенной солнечной радиации, пониженной гравитации и суровых температурных градиентов, и при этом обладать громадными даже по земным меркам энергетическими мощностями. Ни того, ни другого пока нет на Луне.
Однако, столь неутешительный вывод не является преградой для реализации идеи добычи гелиона, так как, во-первых, целесообразно вообще опробовать и доказать, что этот метод способен обеспечить добычу хотя минимального, но значимого количества гелиона, составляющего порядка 0,01 г. Это позволит подтвердить многочисленные прогнозы о форме нахождения гелиона в реголите, его концентрации в нем и о его запасах на Луне.
Для этого необходимо организовать полетную миссию без участия человека, в состав которой должны войти роботизированный добычной комплекс (РДК) и солнечная энергетическая установка. В свою очередь РДК должен включать:
1) роботизированный погрузчик (РП)
2) роботизированную лунную гироскопическую горную машину (РЛГГМ) [3],
3) реактор выпаривания (РВ) и
4) устройство для сжижения гелиона (УСГ) в капсулу с последующей доставкой ее на Землю.
РП должен обладать функцией забора реголита, погрузки его в РЛГГМ, забором
измельченного в ней до фракции менее 50-80 мкм реголита и загрузки его в РВ, в котором реголит будет нагреваться до 800-900°С, чтобы обеспечить переход гелиона из абсорбированного в свободное состояние с последующим отделением от гелия-4 с переводом в УСГ и далее в капсулу. В целях упрощения задачи по добычи гелиона можно отказаться на этом этапе от операции по его отделению от гелия-4 на луне, а произвести ее уже на Земле.
Естественно, весь добычной комплекс должен иметь солнечную электростанцию, мощностью хотя бы 3-5 кВт, смонтированную на посадочной ступени, от которой будут подзаряжаться все устройства входящие в добычной комплекс.
Расчеты показывают, что при производительности РЛГГМ, равной 0,1 т/час, и массе всего 50-80 кг, потребуется всего порядка 10 часов ее работы в непрерывном режиме, чтобы переработать 1 т реголита, которая после выпаривания даст по прогнозу 0,01 г гелиона.
Для получения достоверного результата необходимо реголит взять с помощью РП из разных мест в окрестности расположения добычного комплекса.
Если для измельчения реголита потребуется всего порядка 0,013 МДж, то для нагрева реголита в емкости для выпаривания до 9000С потребуется, учитывая теплоемкость реголита, равную Срег = 0,74*106 Дж/т*рад, уже Q = 0,81*103 МДж, то есть в 60 тысяч раз большая энергия, чем на измельчение 1 т реголита перед его загрузкой в реактор выпаривания, которую можно осуществить с помощью роботизированного погрузчика. РВ объемом порядка 0,5 м3 можно выполнить в виде куба с ребром 0,8 м или в виде цилиндра диаметром 1 м и высотой порядка 0,8 м. Дополнительная энергия потребуется как на сепарацию гелиона от гелия-4, который также будет выделяться при выпаривании, так и дальнейшее сжижение газообразного гелиона, полученного в процессе выпаривания. Хотя при тестовом пробовании технологии добычи гелиона можно для упрощения решения задачи и снижения массы груза доставляемого оборудования для ее реализации не сжижать его и не транспортировать на Землю, а просто с помощью датчиков гелиона зафиксировать факт извлечения газа сразу после выпаривания.
Таким образом, исходя задачи по подтверждению прогноза нахождения гелиона в ожидаемых количествах добычной комплекс должен весить не более тонны, чтобы доставить его на поверхность, используя всего один пуск ракетой «Протон», которая отлично зарекомендовала при всех полетах к Луне. Исходя из возможностей этой ракеты элементы добычного комплекса должны иметь оценочно следующие весовые характеристики: РЛГГМ – 100-150 кг, РП – 150-200 кг, РВ устройством для сепарации газа от гелия-4 – 200-250 кг и солнечной энергетической установки – 200-300 кг, итого – примерно 650-900 кг.
В результате для осуществления тестовой проверки технологии добычи гелиона
и подтверждения его нахождения на Луне в прогнозируемых количествах потребуется всего примерно 1,5-2 месяца и один пуск ракеты «Протон» для доставки добычного комплекса общей массой менее 1 т и возвращения 0,01 г гелиона в газообразном виде на Землю. С научной точки зрения этот тестовый полет с обязательной доставкой гелиона на Землю должен доказать как реальность прогнозов о существовании и механизме поглощения реголитом гелиона из потока солнечного ветра, так и доказать эффективность технологии его извлечения из реголита в реальных лунных условиях.
Графеновые ловушки гелиона из солнечного ветра– алетернатива его извлечения из реголита.
Возможный отрицательный результат тестового полета несомненно вызовет поиск альтернативных методов добычи гелиона непосредственно на поверхности Луны, основанных на принципиально других физических принципах.
Идея одного такого метода, условно названного методом улавливания гелиона с помощью графеновых ловушек, основана на отказе от использования реголита в качестве сорбента, в структуре которого абсорбирован гелион, захваченный из потока солнечного ветра, и прямом, минуя процесс абсорбции, извлечении гелиона из того же потока с помощью графеновых ловушек.
Возможность реализации этой идеи появляется в связи с разработкой специалистами из Колорадского университета в Боулдере мембраны из графена, которая позволяет эффективно отделять из потока газов молекулы нужного газа путём его просеивания, что открывает возможность выделять гелион сразу из потока солнечного ветра, минуя сложную технологию переработки реголита, включающую, как его истирание в РЛГГМ, так и его термообработку для выпаривания. Этому способствует и уже существующая сейчас технология ультрафиолетового окислительного «вытравливания», которая позволяет в листах графена сделать наноразмерные поры порядка 0,1 нм для выделения из потока именно гелиона. Внешний вид такого графенового сита представлен на рис.1.
Оценки показывают, что использование графеновых сит для добычи гелиона позволит значительно сократить материальные и особенно энергетические ресурсы, а также финансовые затраты на ее реализацию. Экспериментальная установка, реализующая эту технологию, может быть выполнена в виде объема определенной формы, накрытого сверху графеновой сеткой, через которую атомы гелиона будут попадать внутрь объема, а затем насосами перемещаться в камеру, где гелион будет сжижаться и храниться. Внешний вид размещения установки, реализующей способ улавливания гелиона на поверхности Луны, представлен рис.2, причем единичные соты могут иметь и другую геометрическую форму в плане, например, четырех- или треугольную.
В свою очередь на рис. 3 схематично представлена единичная сота этой ловушки, соединенной с соседними так, что они образуют единое пространство, из которого гелион перекачивается для дальнейшего сжижения и транспортировки.
Численная оценка количества гелиона, которое может быть собрано в такого
рода ловушке площадью 1 км2 = 106 м2 за один год, показывает, что такой способ добычи гелиона имеет право на существование. Действительно, учитывая, что число частиц солнечного ветра, падающих на единицу поверхности Луны за одну секунду составляет в среднем 3,8 * 108 см-2 * с-1 = 3,8 * 1012 м-2 * с-1 , а также то, что среди всех составляющих солнечного ветра содержание гелиона составляет только 1,7 * 10-5 , то через указанную площадь за секунду пройдет 6,46 * 1013 с-1 молекул гелиона, а за год – 2,03 * 1021. Зная, что молярная масса гелиона составляет 3 г, а число Авогадро – 6,02 * 1023 моль-1, получается, что за один год на Луне ориентировочно в ловушке площадью 1 км2 можно собрать 10-2 г = 0,01 г Не3, именно столько, сколько его содержится по прогнозам в одной тонне реголита. На первый взгляд это настолько незначительная величина, что ее можно не принимать во внимание. Но если учесть, что реголит, занимающий всю поверхность Луны, облучался солнечным ветром 2 млрд. лет и за это время по прогнозам накопил 1 млн. тонн гелиона, то получается, что в среднем 1 км2 поверхности покрытой реголитом сорбировал в год всего 1,410-5 г гелиона, что в 700 раз меньше, чем может
уловить графеновая ловушка той же площади.
Для опробования этого метода непосредственно на Луне на первом этапе достаточно разместить на ее поверхности саморазворачивающийся объем, накрытый графеновой сеткой площадью 50-100 м2 с датчиком, фиксирующим появление гелиона в объеме, что и будет подтверждением действенности этого способа улавливания гелия-3 напрямую из потока солнечного ветра. В зависимости от чувствительности датчика тестовая проверка этого способа может занять от трех до шести месяцев. Кроме того, такая ловушка будет весить не более 100 кг, что позволит разместить ее на той же платформе, что и добычной комплекс на основе РЛГГМ. И, таким образом, за один полет можно будет опробовать оба метода добычи гелиона. По своим финансовым и материальным затратам это тестовое опробование обоих методов будет незначительным, но эффективным по достигаемому результату.
Таким образом, настоящий технический и технологический уровень развития свидетельствует, что тестовая проверка достоверности прогноза количества гелиона в реголите, а также реальности его добычи различными методами позволит в будущем начать промышленную добычу этого газа на Луне.
Выводы
1. Сформулирована идея извлечения гелиона непосредственно из потока солнечного ветра с помощью ловушек с графеновыми ситами и оценена перспектива их практического применения.
2. Предложена методика реализации тестовой миссии по проверке
достоверности прогноза количества гелиона в реголите, а также технические средства для ее реализации на базе лунной гироскопической машины и графеновой ловушки
3. Показано, что для осуществления тестовой проверки достаточно одного запуска ракеты «Протон», способной доставить на Луну необходимые технические средства общей массой не превышающей 1 тонну.
Список использованных источников
1. Бобин В.А., Бобина А.В. Научные основы технологий добычи гелия-3 на Луне. ВКС,2022, № 1, с.30-37. DOI: 10.30981/2587-7992-2022-110-1-30-37.
2. Вайсберг О.Л."Физика Космоса", 1986, Глоссарий Astronet.ru
3. Бобин В.А., Бобина А.В. Гироскопические горные машины для извлечения полезных ископаемых на Земле и Луне. М.: БИБЛИО-ГЛОБУС, 2016. — 160 c. — doi: 10.18334/9785912921490.
