Планы добычи гелия-3 на Луне

Лунная база

 

Возрождение интереса к Луне связано с развитием космонавтики за пределы околоземного пространства, необходимостью освоения лунной поверхности для решения различных проблем земной цивилизации: 1) истощение запаса жизненно необходимых природных ресурсов на Земле; 2) загрязнение Земли экологически опасными производствами; 3) поиск альтернативных источников сырья и энергии); 4) наконец стремлением астрономов вынести телескопы за атмосферу на устойчивую поверхность Луны. Цели Лунной Базы положены в основу перспективных, долгосрочных планов освоения Луны и целого ряда связанных с этим направлений науки и техники. Прежде всего - это исследования самой Луны. До сих пор остаются неясными вопросы происхождения и ранней эволюции Луны, недостаточно изучено внутреннее строение, состав и структура ядра, коры Луны. Исследования лунного поверхностного слоя может дать информацию и о событиях в истории Земли, Солнца и всей солнечной системы.

Лунная база позволит также снять технические и производственные проблемы, решение которых выгоднее осуществить на Луне, чем на Земле и на космических станциях. К ним относятся: получение альтернативных источников энергии (солнечные энергетические установки, термоядерные электростанции на лунных запасах гелия-3), ракетного топлива на основе кислорода и водорода, полученных из лунного грунта, а также таких необходимых материалов как кремний, титан, железо и др. Представляется эффективным использование ЛБ в качестве промежуточного космодрома, в частности для обеспечения топливом ракетно-космических систем как местного (околоземные и окололунные орбиты), так и дальнего следования (межпланетные орбиты – Марс!). Следует отметить, что доставка грузов с Земли на лунную поверхность требует меньших энергетических затрат, чем, например, доставка того же груза на геостационарную орбиту.

Гелий-3 как ядерное топливоРеакция ³Не + D → ⁴Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → ⁴Не + n. К этим преимуществам относятся:

1) В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора; 2) Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе; 3) Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности; 4) При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.

К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в миллиард градусов, чтобы она могла начаться. В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников, а создаётся искусственно, при распаде трития. Последний производился для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах.

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце. На Земле его производят на радиохимических предприятиях в количествах, исчисляемых тысячами литров в год: так, промышленное производство гелия-3 в США составило около 8 тысяч литров в 2010 году при стоимости порядка 2150 долларов за литр. Другое дело — Луна, у которой нет атмосферы. В результате, этого ценного вещества там находится до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн^[5]). При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти^[6] (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет ~1 г на 100 т. Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать не менее 100 млн тонн грунта.

Присутствие гелия-3 на Луне США (NASA) считают серьёзным поводом к освоению спутника. При этом первый полёт туда NASA планирует осуществить не раньше 2018 года. Китай и Япония также запланировали создание лунных баз, но это, скорее всего, произойдёт в 2020-х годах. Создание станции — не только вопрос науки и государственного престижа, но и коммерческой выгоды. Гелий-3 — это редкий изотоп, стоимостью приблизительно 1200 долларов США за литр газа, а на Луне его — миллионы килограммов (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн). Гелий-3 нужен в ядерной энергетике — для запуска термоядерной реакции. Гелий-3 можно будет применять в термоядерных реакторах. Чтобы обеспечивать энергией всё население Земли в течение года, по подсчётам учёных Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, необходимо приблизительно 30 тонн гелия-3. Стоимость его доставки на Землю будет в десятки раз меньше, чем у вырабатываемой сейчас электроэнергии на атомных электростанциях. При использовании гелия-3 не возникает долгоживущих радиоактивных отходов, и поэтому проблема их захоронения, так остро стоящая при эксплуатации реакторов на делении тяжёлых ядер, отпадает сама собой.

Однако существует и серьёзная критика этих планов. Дело в том, что для зажигания термоядерной реакции дейтерий+гелий-3 необходимо нагреть изотопы до температуры в миллиард градусов и решить задачу удержания нагретой до такой температуры плазмы. Современный технологический уровень позволяет удержать плазму, нагретую лишь до нескольких сотен миллионов градусов в реакции дейтерий+тритий, при этом почти вся энергия, полученная в ходе термоядерной реакции, затрачивается на удержание плазмы. Поэтому реакторы на гелии-3 многими ведущими учёными, например, академиком Роальдом Сагдеевым, считают делом отдалённого будущего. Более реальным с их точки зрения является разработка на Луне кислорода, металлургия, создание и запуск космических аппаратов, в том числе ИСЗ, межпланетных станций и пилотируемых кораблей.

Наконец, создание обитаемой, постоянно действующей лунной базы является первым опытом распространения человеческой цивилизации на другие планеты. Исследование неизвестных проблем и возможностей организации жизни и деятельности является совершенно новым шагом в освоении космического пространства (Луны, тел Солнечной системы). Создание ЛБ можно рассматривать в качестве нового необходимого шага в создании инфраструктуры современной и будущей цивилизации.

 

Широкий спектр научно-прикладных исследований предоставляет ЛБ в области астрономии, где возможны наблюдения по всей полосе электромагнитных излучений практически недоступные с Земли посредством телескопов, весовые деформации которых на Земле слишком велики. Наблюдения с Луны позволяют реализовать предельные астрономические параметры, например, координатную точность до одной угловой микросекунды, что недостижимо наземными средствами. С ЛБ можно проводить мониторинг Земли, Солнца, а также кометно-астероидную службу.

Луна имеет хорошие условия для размещения на ней телескопов, предназначенных для раннего обнаружения и сопровождения астероидов АСЗ. Представляющие опасность АСЗ размером 0.1-1км можно обнаружить заранее, на расстояниях до нескольких астрономических единиц посредством телескопов, расположенных на поверхности Луны. Каталогизация таких малоразмерных АСЗ численностью до 500 тысяч обьектов представляет большое значение, поскольку столкновение любого из них с Землей - это реальная угроза человечеству. Раннее обнаружение АСЗ с Луны позволит осуществить необходимые мероприятия по предотвращению возможной астероидной опасности.В программах космических агенств, например японской NASDA, присутствуют проекты размещения на Луне телескопов с целью проведения регулярных наблюдений и изучения движения известных астероидов для уточнения их орбит и условий сближения их с Землей, также для поиска других АСЗ и изучения эволюции их орбит.

 

Условия работы лунной базы

Условия, в которых будет существовать и функционировать ЛБ достаточно известны из астрономических наблюдений и прямых исследований на Луне и широко опубликованы. Отметим лишь некоторые, имеющие техническое значение для создания структуры ЛБ.

Большие температурные перепады (около 300°С, что в 20 раз больше земных - 15°С) требуют надежной термической защиты, поскольку днем на лунной поверхности +127°С, а ночью -173°С. Хотя длительный суточный период (30 дней) уменьшает скорость и частоту изменения температуры.

Из-за наличия внешнего высокого вакуума внутреннее давление в любой постройке на Луне создает нагрузки на боковые стенки в десятки раз большие, чем на Земле. При отсутствии атмосферы должна быть обеспечена радиационная защита от космических лучей галактического и солнечного происхождения, от корпускулярного и микрометеоритного воздействия. Но слой лунного поверхностного материала (реголита) толщиной около 3-х метров вполне обеспечит эту защиту. С другой стороны отсутствие атмосферы исключает такие погодные явления земного типа, как ветер, дождь, лед и пр. Безводные условия затормаживают коррозию материалов, с другой стороны при отсутствии воды мешают проведению некоторых технологических процессов.

Лунный грунт (реголит) - мелко раздробленное вещество с последующим слипанием, чрезвычайно пористая порода с низкой теплопроводностью. На глубине около 30 см температура, примерно, -20°С и постоянна в диапазоне 2°-4°С. Реголит покрывает поверхность слоем от одного до десяти метров. Мельчайшие фракции реголита представляют пыль, которая уменьшает сцепление ходовых частей транспортных средств с лунным грунтом, создает пылевое загрязнение естественного (метеориты) или искусственного (человеческая деятельность) происхождения. Лунная поверхность имеет очень низкую сейсмичность по сравнению с земной - до 500 лунотрясений силой 1-3 баллов по шкале Рихтера в год, в то время как на Земле - до 10 тыс. явлений такой же балльности, не включая более сильных . Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше земной, что облегчает вертикальные перемещения грузов, уменьшает механические деформации конструкций значительных размеров, однако уменьшает возможности анкеров и фундаментов.

Удаленность Луны от Земли на расстояние до 386 000 километров создает задержку сигналов при связи, примерно, в 2.6 секунды - это имеет значение при управлении лунными механизмами телеоператором с Земли. Удаленность определяет также и высокую стоимость доставки грузов на Луну, отсюда рекомендации использовать при создании ЛБ лунные материалы.

 

Выбор места расположения лунной базы

Для каждого из рассмотренных научно-технических направлений существуют свои требования к выбору расположения ЛБ с учетом этапа освоения или режима функционирования базы. В любом случае необходимо стремиться к тому, чтобы наибольшее число условий выполнялось или было согласовано между собой с целью выбора оптимального варианта расположения ЛБ.

Для ЛБ первого поколения (начальный этап, ограниченное количество задач при минимальных расходах, предпочтение автоматических режимов работ и т.п.) наиболее целесообразно размещение одной базы в экваториальной области видимой части Луны, что обеспечит выполнение наибольшего количества научных, производственных и транспортных задач. В этом случае, имеется достаточно преимуществ: доставка грузов на Луну выполняется с минимальными энергетическими затратами на взлет - посадку транспортных ракетных систем; для проведения некоторых технологических процессов, требующих нагрева до высоких температур можно использовать эффект нагрева лунной поверхности солнечным излучением; прямая видимость ЛБ с Земли обеспечивает постоянную связь между ними, изучение района ЛБ наземными средствами и наоборот, земной мониторинг Земли с ЛБ.

Для выполнения астрономических наблюдений критерии выбора места расположения лунной обсерватории (ЛО) более жесткие и зачастую противоположные для разных областей астрономии. Для наблюдения как можно большей части небесной сферы подходит расположение ЛО по широте на лунном экваторе. А ее размещение в зоне 8-10 градусов по долготе рядом с лимбом, когда изображение Земли находится близко к лунному горизонту, существенно ослабляет влияние ее излучения (температура, около, 30^ОС) на телескопы, а также позволяет на доступном расстоянии (около 600 км) на обратной стороне Луны расположить радиотелескопы. Дело в том, что в этом случае радиотелескопы полностью экранированы от разного вида электромагнитных излучений Земли. В этом смысле обратная сторона Луна является уникальным местом во всей внутренней Солнечной системе для радиоастрономических исследований.

В целом, потребности ЛО должны обеспечиваться возможностями лунной базы и ЛО должна располагаться достаточно близко к лунной базе, чтобы использовать ее инфраструктуру. Вместе с тем ЛО должна находиться на удалении по крайней мере нескольких километров от лунной базы для избежания влияния пыли, освещения и вибраций на астрономические наблюдения. Необходимо размещать ЛО на ровной площадке (плоские поверхности кратеров) для осуществления взаимного визирования телескопов - в случае использования схемы интерферометра с базой - в оптическом диапазоне до нескольких километров, в радиодиапазоне до 100-200 километров. Реально, кривизна лунной поверхности обеспечивает прямую видимость телескопов до 3-5 км, для связи на больших расстояниях необходимо использовать ретрансляторы.

Имеет существенное преимущество и расположение ЛО в полярных областях. В этом случае размещение телескопов в постоянной тени кратеров создает стабильный температурный режим пассивного охлаждения, порядка 40^ОК. Это особенно важно для исследований в области инфракрасной/субмиллиметровой астрономии. Кроме того, по последним данным в полярных областях обнаружены запасы водяного льда, что представляет дополнительный интерес для создания там лунной базы.