Есть мнение, что экономически колонизацию Луны могла бы оправдать добыча гелия-3. Его там много. Не защищённые атмосферой и магнитным полем породы поверхности спутника миллиардами лет поливаются солнечным ветром. «Ветер» же представляет собой поток заряженных частиц высокой энергии. Главным образом это ядра водорода – протоны. Но попадаются и дейтроны, и ядра гелия, в том числе гелия «недоделанного», – всё что образует в сумме «материю Солнца».
Протоны, врезаясь в капельки импактного стекла и щебень, из которых лунный реголит состоит по преимуществу, растрачивают энергию на электромагнитное взаимодействие, застревают, остывают и рекомбинируют, превращаясь в водород. Последний потом выходит и улетучивается, либо реагирует с кислородом, образуя «связанные» в силикатах молекулы воды… В реголите, таким образом, копится вода. И гелий. Гелий не умеет, как водород, убегать из сплошного камня. Но если образец реголита нагреть до плавления, гелий выйдет.
...Такое мнение есть уже более полувека, – с тех пор, как в привезённых американскими экспедициями образцах был обнаружен не встречающийся на Земле гелий-3. Но воз и ныне там, так как развёртывание на естественном спутнике промышленной инфраструктуры, позволяющей перерабатывать миллиард тонн реголита, добывая до 100 тонн гелия-3 в год, экономически оправданным станет не прежде появления термоядерного реактора, способного переводить в электрическую форму разрушительную энергию релятивистских частиц. Пусть бы и только заряженных… Футурологи предсказывают, что проблема будет решена если не к середине этого века, то к середине следующего точно. Причины затруднений, связанных с созданием термоядерного реактора были рассмотрены в предыдущей публикации.
Следовательно, остаётся вопрос, причём здесь гелий-3, и почему нельзя обойтись обычным гелием, которого на Земле много… И кстати, почему на Земле есть гелий-4, но нет гелия-3?
Сначала о гелии. Изначально, этот газ – инертный, не образующий соединений, и очень лёгкий, – в состав планеты не вошёл. Что-то вытопилось и ударном переплавлении хондритов, что-то было захвачено из туманности в состав первичной атмосферы, но всё это давно утекло в космос. Так что, гелий, которым наполняют воздушные шарики сейчас, уже полостью земной – радиогенный. При распаде нестабильных изотопов среди продуктов очень часто встречается альфа-частица – ядро «правильного» гелия-4.
Гелий-3 также стабилен. Но производится он в звёздах, как промежуточный продукт термоядерного водород-гелиевого цикла. «Горение» водорода в ядре Солнца происходит в три этапа. Сначала два ядра водорода сливаются в дейтрон (с излучением позитрона и «солнечного» нейтрино). Потом, дейтрон с протоном сливаются в гелий-3. И, наконец, два гелия-3 сливаются в гелий-4 с излучением двух протонов…
И тут нужно заметить, что «простое» преобразование водорода в гелий просто только для звёзд. В ядрах светил водород содержится в сверхплотной, фактически, твёрдой форме, так что, промежуточные продукты не могут покинуть зону реакции, и выделившаяся энергия расходуется на преодоление потенциального барьера на следующем этапе. Техническими средствами на обозримом этапе такой подход невоспроизводим. Так что, цикл приходится разбирать на отдельные реакции… Ну и какую выбрать?
Очевидный вариант «водород-водород» не продуктивен. На этом этапе выделяется энергия 0.42 МэВ (ни о чём, по меркам термояда), да и та большей частью уносится неуловимым нейтрино. Как следствие, «простейшей» промышленной реакцией видится следующий этап: «протон-дейтрон». Тут потенциальный барьер даже ниже (инициировать реакцию проще), а выделяется – преимущественно в форме очень жёсткой гаммы, – энергия в 13 раз большая, – 5.5 МэВ…
Дейтерий доступен, так что, именно эта реакция в основном и практикуется в экспериментальных термоядерных установках. Но проблема, как отмечалось выше, давно уже не в том, чтобы слияние ядер инициировать. Нужно добиться того, чтобы выделившаяся энергия не уходила целиком на разрушение установки, а как-то поглощалась. В данном же случае из активной зоны вылетает не такой фотон, который может быть поглощён стенкой котла без массивной ионизации вещества, – то есть, разрушения стенки на уровне молекул.
Зато уж на третьем этапе слияние двух гелиев-3 даёт 12.8 МэВ в форме только заряженных частиц: альфы и двух протонов. А заряженные частицы можно, – как минимум, проблема потенциально разрешима на современном уровне технологий, – «тормозить» магнитным полем, добиваясь постепенного перехода энергии в мягкое излучение. Так что, дело остаётся за сущей мелочью, – как раз, гелия-3 на Земле и нет. Его, правда, можно получить искусственно. Но из трития. А радиоактивный, имеющий период полураспада всего 12 лет тритий, в свою очередь, производится в ядерных реакторах и продаётся по цене30 миллионов долларов за килограмм. Так что, даже в случае удорожания «чёрного золота» до 1600 долларов за баррель, дейтерий-тритиевая энергетика не станет оправданной экономически. Ведь, для получения трития всё равно требуются ядерные реакторы, потребляющие уран, а значит, и электричество всегда будет дешевле вырабатывать на АЭС.
...Есть другие варианты. Но все они не без греха. Например, обладающие наименьшим порогом и приличным энергетическим выходом реакции дейтерий-дейтерий или дейтерий-тритий дают этот выход в форме релятивистского нейтрона. То есть, дешевле обошлось бы, если б вообще не давали. Релятивистский нейтрон проходит сквозь десятки метров бетона и свинца, способен разрушать атомные ядра, захватываться, образуя радиоактивные изотопы… А потом превращается в протон и рекомбинирует в водород, изменяя свойства материалов.
Следующей за слиянием ядер гелия-3 реакцией с «хорошими» продуктами оказывается сразу протон-литий-7, дающая на выходе две альфа-частицы. Но она отличается очень высоким порогом инициации. Тем не менее, работы сейчас ведутся в данном направлении.