In 1986 schatten wetenschappers van het Institute of Fusion Technology van de Universiteit van Wisconsin dat de “bodem” van de maan, regolith genaamd, een miljoen ton helium-3 (3He) bevat, een materiaal dat zou kunnen worden gebruikt als brandstof om energie te produceren door middel van kernfusie. Volgens de studie zou de ontginning ervan een rendabele onderneming zijn: de door het helium-3 geproduceerde energie zou 250 maal groter zijn dan die welke nodig is om deze hulpbron van de maan te halen en naar de aarde te vervoeren, waar de maanreserves van helium-3 eeuwenlang in de menselijke behoeften zouden kunnen voorzien.
De analyse van de onderzoekers, gebaseerd op monsters die tijdens de Apollo-missies waren verzameld, wekte een koorts op voor dit nieuwe maangoud, dat miljarden dollars waard zou zijn voor degenen die het in handen hadden. Meer dan 30 jaar later is er echter nog geen gram verzameld, en er zijn mensen die zeggen dat het nooit zal gebeuren, omdat -volgens hen- helium-3 alleen maar heeft gediend om een enorme ballon van ongegronde speculatie op te blazen.
De kernfusie van lichte atomen, zoals de waterstofisotopen deuterium (2H) en tritium (3H), wordt al tientallen jaren gezien als de energiebron van de toekomst, onuitputtelijk en veel minder vervuilend dan de splijting van zware atomen zoals uranium. De technologische ontwikkeling die nodig is om er een praktische en energie-efficiënte optie van te maken, houdt onderzoekers echter nog steeds bezig, en het is geen volledig schone energie: de fusie van deuterium en tritium produceert neutronen, deeltjes die radioactieve besmetting veroorzaken en die niet kunnen worden ingedamd met elektromagnetische velden, omdat ze geen elektrische lading hebben.
Helium-3 (een niet-radioactieve isotoop van het gas dat wordt gebruikt om ballonnen op te blazen) biedt daarentegen opmerkelijke voordelen: de fusie ervan met deuterium is efficiënter dan deuterium-tritium en daarbij komen geen neutronen vrij, maar protonen, die gemakkelijk kunnen worden ingesloten dankzij hun positieve lading. Bovendien is het mogelijk de energie ervan op te vangen om rechtstreeks elektriciteit te produceren, zonder dat een waterverwarmingsproces nodig is om turbines in beweging te brengen, zoals in de huidige kernsplijtingscentrales.
Belangrijkste hindernissen
Het probleem is dat helium-3 uiterst schaars is op aarde. Deze isotoop is voornamelijk afkomstig van de zonnewind, maar de aarde wordt beschermd door de dampkring en het magnetisch veld. De Maan daarentegen heeft gedurende miljarden jaren een ongelooflijke hoeveelheid van dit materiaal in haar oppervlaktelaag geaccumuleerd, zij het in zulke lage concentraties dat het nodig zou zijn enorme hoeveelheden regoliet te verwerken om het te oogsten door het bij 600 °C te verhitten. Daarbij komt nog de moeilijkheid en de kosten om het naar de aarde te transporteren.
Ondanks de grote obstakels “zijn er misschien toch kansen om helium-3 als tweede-generatiebrandstof te gebruiken”, vertelt fusiefysicus John Wright van het Massachusetts Institute of Technology aan OpenMind. Volgens Wright zijn er echter nog enorme verbeteringen nodig in de fusietechnologie “voordat we ons zorgen hoeven te maken over mijnbouw.”
Het belangrijkste bezwaar tegen fusie met helium-3 wordt samengevat door Frank Close, een natuurkundige van de Universiteit van Oxford. In 2007 schreef Close in het tijdschrift Physics World dat “deuterium tot 100 keer langzamer reageert met helium-3 dan met tritium,” waarvoor veel hogere smelttemperaturen nodig zouden zijn dan in de huidige reactoren. In de praktijk, aldus Close, zou deuterium de neiging hebben met zichzelf te fuseren tot tritium, dat vervolgens weer met deuterium zou reageren zoals bij conventionele fusie, waarbij neutronen zouden worden geproduceerd. Samenvattend bestempelde Close het idee om elektriciteit op te wekken uit maanhelio-3 als maneschijn.
“Helium-3 heeft geen relevantie voor fusie,” benadrukt Close tegenover OpenMind; “Er is niets veranderd in de wetten van de natuurkunde sinds mijn artikel uit 2007.” Hoewel de natuurkundige gelooft dat het mogelijk is dat we de ontwikkeling van maanmijnbouw zien, “heeft het geen zin om naar de maan te gaan voor helium-3 als je doel is om fusie te maken.”
Nieuwe strategieën voor fusie
De bezwaren van Close zijn echter gebaseerd op conventionele fusiereactoren, zoals ITER, een internationaal project in aanbouw in Frankrijk, dat drie keer zo veel zal wegen als de Eiffeltoren en temperaturen zal bereiken van 150 miljoen graden Celsius. Een ontwerp van hetzelfde type voor heliumfusie zou hogere temperaturen en nog massievere afmetingen vereisen. Daarom zijn nieuwe strategieën nodig. “De uitdaging is het beheren van de hoeveelheid tritium die in het plasma blijft van die nevenreacties om de deuterium-tritium neutronenproductie te minimaliseren,” schrijft Wright.
En iemand heeft het mogelijk gemaakt, hoewel nog steeds zonder een positieve energiebalans. Gerald Kulcinski, directeur van het Institute of Fusion Technology aan de Universiteit van Wisconsin en een van de auteurs van die baanbrekende studie in 1986, is al tientallen jaren bezig met de ontwikkeling van fusie met helium-3. “Het klopt dat de energie die nodig is voor deuterium-helium-3 fusie ongeveer twee tot drie keer zo hoog is als voor deuterium-tritium,” vertelt Kulcinski aan OpenMind.
De kleine reactor die de onderzoeker heeft ontwikkeld, slaagt erin het obstakel te overwinnen door de productie van neutronen te minimaliseren en hun energie te verlagen. Nog veelbelovender, voegt Kulcinski eraan toe, is de helium-3-helium-3-fusie, gecompliceerder maar volledig neutronvrij. “Dat zou echt een doorbraak zijn, maar ik ben er niet zeker van dat ik dat nog in mijn leven zal meemaken,” concludeert hij. Volgens analist Thomas Simko van de RMIT University in Australië zullen “heliumfusiereactoren waarschijnlijk op zijn vroegst halverwege deze eeuw worden ontwikkeld.”
Maar zelfs als de struikelblokken van de fusietechnologie worden overwonnen, is er nog altijd het probleem van de mijnbouw op de maan. Simko wijst er echter op dat de eerste verkennende stappen waarschijnlijk in de komende jaren zullen worden gezet, zodat “wanneer helium-3 nodig is, al bekend zal zijn waar het zich bevindt en hoe het kan worden gewonnen en geleverd.”
Eerste stappen voor maanmijnbouw
Het lijkt er inderdaad op dat deze eerste stappen al worden gezet. Sommige nationale ruimtevaartorganisaties en verschillende particuliere ondernemingen hebben hun zinnen gezet op de mijnbouw op de maan, waarbij nog de belangstelling van de opkomende mogendheden komt: de Chinese sonde Chang’e 4, die op de verborgen zijde van de maan is neergestreken, zou als een van zijn doelen kunnen hebben het voorlopig opsporen van de aanwezigheid van helium-3, iets wat ook is gezegd van de maanmissie Chandrayaan 2 die India in april zal lanceren.
Het Europees Ruimteagentschap heeft een contract gesloten met verschillende bedrijven om de toekomstige exploitatie van maangrondstoffen te bestuderen met het oog op de ondersteuning van een bewoonde kolonie; in dit geval zou helium-3 kunnen worden gebruikt om een lokale reactor van energie te voorzien, of zelfs als brandstof voor ruimtevaartuigen die door kernfusie worden aangedreven.
Veel deskundigen beschouwen dit in situ gebruik van grondstoffen als een realistischer optie. “Ik denk niet dat er veel te winnen valt bij het ontginnen van de maan en het terugbrengen naar de aarde,” vertelt planetair geoloog Paul Byrne van de North Carolina State University aan OpenMind. “Ik denk dat het een veel beter gebruik van ons geld, tijd en creativiteit is om maangrondstoffen te gebruiken om mensen te ondersteunen die op de maan leven, en om toekomstige robot- en bemande exploratie naar andere delen van het zonnestelsel te ondersteunen.” Kortom, met of zonder goud, het lijkt erop dat de maankoorts geen tekenen van vermindering vertoont.
Javier Yanes
@yanes68