W 1986 r. naukowcy z Instytutu Technologii Fuzji na Uniwersytecie Wisconsin oszacowali, że księżycowa „gleba”, zwana regolitem, zawiera milion ton helu-3 (3He), materiału, który mógłby zostać wykorzystany jako paliwo do produkcji energii w procesie fuzji jądrowej. Według badań, jego wydobycie byłoby opłacalnym przedsięwzięciem: energia wytworzona przez hel-3 byłaby 250 razy większa niż ta potrzebna do wydobycia tego surowca z Księżyca i przetransportowania go na Ziemię, gdzie księżycowe rezerwy helu-3 mogłyby zaspokajać ludzkie potrzeby przez stulecia.
Analiza badaczy, oparta na próbkach zebranych przez misje Apollo, wywołała gorączkę tego nowego księżycowego złota, które byłoby warte miliardy dolarów dla tych, którzy je kontrolowali. Jednak ponad 30 lat później nie zebrano jeszcze ani grama, a są tacy, którzy twierdzą, że nigdy do tego nie dojdzie, ponieważ – według nich – hel-3 posłużył jedynie do nadmuchania ogromnego balonu bezpodstawnych spekulacji.
Fuzja jądrowa lekkich atomów, takich jak izotopy wodoru deuter (2H) i tryt (3H), od dziesięcioleci postrzegana jest jako źródło energii przyszłości, niewyczerpalne i znacznie mniej zanieczyszczające środowisko niż rozszczepianie ciężkich atomów, takich jak uran. Jednak rozwój technologiczny niezbędny do tego, aby była to praktyczna i wydajna energetycznie opcja, wciąż nie daje naukowcom spokoju, a ponadto nie jest to całkowicie czysta energia: w wyniku fuzji deuteru i trytu powstają neutrony, cząstki powodujące skażenie radioaktywne, których nie można ograniczyć za pomocą pól elektromagnetycznych, ponieważ nie posiadają ładunku elektrycznego.
W przeciwieństwie do tego, hel-3 (nieradioaktywny izotop gazu używanego do nadmuchiwania balonów) oferuje niezwykłe korzyści: jego fuzja z deuterem jest bardziej wydajna niż deuteru z trytem i nie uwalnia neutronów, ale protony, które można łatwo zatrzymać dzięki ich dodatniemu ładunkowi. Ponadto możliwe jest przechwytywanie jego energii w celu bezpośredniej produkcji energii elektrycznej, bez konieczności stosowania procesu podgrzewania wody do poruszania turbin, jak ma to miejsce w obecnych elektrowniach wykorzystujących rozszczepienie jądrowe.
Główne przeszkody
Problem polega na tym, że helu-3 jest na Ziemi bardzo mało. Izotop ten pochodzi głównie z wiatru słonecznego, ale Ziemia jest chroniona pod osłoną swojej atmosfery i pola magnetycznego. Z kolei Księżyc przez miliardy lat zgromadził w swojej warstwie powierzchniowej niewiarygodną ilość tego materiału, choć w tak niskim stężeniu, że aby go pozyskać, należałoby przetworzyć ogromne ilości regolitu poprzez podgrzanie go w temperaturze 600 °C. Do tego doszłyby jeszcze trudności i koszty związane z jego transportem na Ziemię.
Pomimo poważnych przeszkód, „mogą istnieć pewne szanse na wykorzystanie helu-3 jako paliwa drugiej generacji” – mówi serwisowi OpenMind fizyk fuzji jądrowej John Wright z Massachusetts Institute of Technology. Jednak, zdaniem Wrighta, nadal będą potrzebne ogromne ulepszenia w technologii fuzji „zanim będziemy musieli martwić się o wydobycie.”
Główny sprzeciw wobec fuzji z helem-3 podsumowuje Frank Close, fizyk z Uniwersytetu w Oxfordzie. W 2007 roku Close napisał w czasopiśmie Physics World, że „deuter reaguje do 100 razy wolniej z helem-3 niż z trytem”, co wymagałoby znacznie wyższych temperatur topnienia niż w obecnych reaktorach. W praktyce, jak zauważył Close, deuter miałby tendencję do łączenia się ze sobą, tworząc tryt, który następnie ponownie reagowałby z deuterem, jak w konwencjonalnej fuzji, produkując neutrony. Podsumowując, Close określił pomysł generowania energii elektrycznej z księżycowego helio-3 jako bimber.
„Hel-3 nie ma żadnego znaczenia dla fuzji”, podkreśla Close dla OpenMind; „Nic się nie zmieniło w prawach fizyki od czasu mojego artykułu z 2007 roku.” Choć fizyk uważa, że możliwy jest rozwój górnictwa księżycowego, „nie ma sensu udawać się na Księżyc po hel-3, jeśli twoim celem jest fuzja jądrowa.”
Nowe strategie dla fuzji
Zastrzeżenia Close’a opierają się jednak na konwencjonalnych reaktorach termojądrowych, takich jak ITER, międzynarodowy projekt budowany we Francji, który będzie ważył trzy razy więcej niż Wieża Eiffla i osiągał temperatury 150 milionów stopni Celsjusza. Podobny projekt dla fuzji helu wymagałby wyższych temperatur i jeszcze bardziej masywnych rozmiarów. Dlatego potrzebne są nowe strategie. „Wyzwaniem jest zarządzanie ilością trytu, który pozostaje w plazmie z tych reakcji ubocznych, aby zminimalizować produkcję neutronów deuterowo-trytowych” – pisze Wright.
I ktoś to umożliwił, choć wciąż bez dodatniego bilansu energetycznego. Gerald Kulcinski, dyrektor Institute of Fusion Technology na Uniwersytecie Wisconsin i jeden z autorów pionierskich badań z 1986 r., od dziesięcioleci rozwija syntezę termojądrową z helem-3. „To prawda, że energia wymagana do syntezy deuteru z helem-3 jest około dwa do trzech razy większa niż w przypadku deuteru z trytem” – mówi Kulcinski portalowi OpenMind.
W opracowanym przez badacza małym reaktorze udaje się pokonać przeszkodę, minimalizując produkcję neutronów i zmniejszając ich energię. Jeszcze bardziej obiecująca, dodaje Kulcinski, jest fuzja helu-3-helium-3, bardziej skomplikowana, ale całkowicie pozbawiona neutronów. „To byłby prawdziwy przełom w grze, ale nie jestem pewien, czy zobaczę to za mojego życia” – podsumowuje. Dla analityka Thomasa Simko z RMIT University w Australii, „reaktory fuzji helu prawdopodobnie nie powstaną najwcześniej w połowie stulecia.”
Ale nawet pokonując przeszkody związane z technologią fuzji, nadal istniałoby górnictwo księżycowe. Simko podkreśla jednak, że pierwsze kroki eksploracyjne zostaną prawdopodobnie podjęte w najbliższych latach, tak aby „gdy hel-3 będzie potrzebny, wiadomo już było, gdzie się znajduje oraz jak go wydobyć i dostarczyć.”
Pierwsze kroki w kierunku górnictwa księżycowego
Wydaje się, że te pierwsze kroki są już w toku. Niektóre narodowe agencje kosmiczne, a także różne firmy prywatne mają na uwadze górnictwo księżycowe, do czego dochodzi zainteresowanie wschodzących mocarstw: chińska sonda Chang’e 4, usadowiona na ukrytej stronie Księżyca, może mieć za cel wstępne śledzenie obecności helu-3, co mówi się również o misji księżycowej Chandrayaan 2, którą Indie rozpoczną w kwietniu. Credit: University of Wisconsin-Madison
Ze swojej strony, Europejska Agencja Kosmiczna podpisała umowę z kilkoma firmami w celu zbadania przyszłej eksploatacji zasobów regolitu księżycowego w celu wsparcia zamieszkałej kolonii; w tym przypadku hel-3 mógłby być wykorzystany do zasilania lokalnego reaktora, a nawet jako paliwo dla statków kosmicznych napędzanych fuzją jądrową.
W rzeczywistości, wielu ekspertów widzi to wykorzystanie zasobów in situ jako bardziej realistyczną opcję. „Nie sądzę, by można było wiele zyskać na wydobyciu surowców z Księżyca i sprowadzeniu ich z powrotem na Ziemię” – mówi OpenMind geolog planetarny Paul Byrne z North Carolina State University. „Myślę, że znacznie lepszym wykorzystaniem naszych pieniędzy, czasu i kreatywności jest wykorzystanie zasobów księżycowych do wspierania ludzi żyjących na Księżycu, a także wspieranie przyszłych robotycznych i załogowych eksploracji innych części Układu Słonecznego”. Krótko mówiąc, ze złotem czy bez niego, wydaje się, że księżycowa gorączka nie wykazuje oznak ustąpienia.
Javier Yanes
@yanes68