Гелий-3 с луны. а нужен ли он нам?

Распространённость

Во Вселенной

Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе. Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва, во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд (см. протон-протонный цикл, углеродно-азотный цикл). На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде, — это ядра гелия-4). Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.

Земная кора

В рамках восемнадцатой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона).

Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада тория, урана и их дочерних радионуклидов) — 5,27⋅10−4 % по объёму, 7,24⋅10−5 % по массе. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5⋅1014 м³. Гелионосные природные газы содержат, как правило, до 2 % гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8—16 %.

Среднее содержание гелия в земном веществе — 0,003 мг/кг или 0,003 г/т. Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет 0,8—3,5 л/кг, а в торианите оно достигает 10,5 л/кг. Этот гелий является радиогенным и содержит лишь изотоп 4He, он образуется из альфа-частиц, излучаемых при альфа-распаде урана, тория и их дочерних радионуклидов, а также других природных альфа-активных элементов (самарий, гадолиний и т. д.).

В 2016 году норвежские и британские ученые обнаружили залежи гелия в районе озера Виктория в Танзании. По примерным оценкам экспертов, объём запасов — 1,5 млрд кубических метров.

Значительные запасы гелия содержатся в восточносибирских газовых месторождениях в России. Запасы гелия в Ковыктинском месторождении оцениваются в 2,3 млрд. кубометров , в Чаяндинском месторождении — в 1.4 млрд. кубометров.

Физические свойства

Из-за его низкой атомной массы, составляющей 3,02 атомных единицы массы , гелий-3 имеет некоторые физические свойства, отличные от свойств гелия-4, с массой 4,00 атомных единицы массы. Из-за слабого индуцированного диполь-дипольного взаимодействия между атомами гелия их микроскопические физические свойства в основном определяются их нулевой энергией . Кроме того, микроскопические свойства гелия-3 заставляют его иметь более высокую нулевую энергию, чем гелий-4. Это означает, что гелий-3 может преодолевать диполь-дипольные взаимодействия с меньшей тепловой энергией, чем гелий-4.

В квантово — механические эффекты на гелий-3 и гелия-4 значительно отличаются , потому что с двух протонов , двух нейтронов и двух электронов , гелий-4 имеет общий спин , равный нулю, что делает его бозон , но с одним нейтроном меньше, гелием 3 имеет общий спин равный половине, что делает его фермионом .

Гелий-3 кипит при 3,19 К по сравнению с гелием-4 при 4,23 К, и его критическая точка также ниже при 3,35 К, по сравнению с гелием-4 при 5,2 К. Плотность гелия-3 меньше половины плотности гелия-4, когда он находится в точке кипения: 59 г / л по сравнению с 125 г / л гелия-4 при давлении в одну атмосферу. Его скрытая теплота парообразования также значительно ниже и составляет 0,026 кДж / моль по сравнению с 0,0829 кДж / моль гелия-4.

Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…

Впервые гелий применили в Германии. В 1915 году они немцы стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время

Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей

Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.

В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.

В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.

Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.

Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота — подобно шампанскому при открывании бутылки.

Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге — к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно.

При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит.
С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.

«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц)

Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней

Геохимические данные

Изотоп также присутствует на планете Земля, хотя и в меньших количествах:

• Это главная составляющая земной мантии, которая была синтезирована еще во время планетообразования. Совокупная ее масса в этой части планеты составляет, по различным оценкам, от 0,1 до 1 миллиона тонн;
• На поверхность он выходит в результате деятельности вулканов. Так, сопки Гавайских островов выделяют около 300 граммов этого вещества в год. Срединно-океанические хребты — около 3 килограммов;
• В местах наезда одной литосферной плиты на другую могут находиться сотни тысяч тонн гелиевого изотопа. Извлечь это богатство промышленным способом на современном этапе технологического развития не представляется возможным;
• Природа продолжает производство данного соединения до сих пор, в результате распада радиоактивных элементов в коре и мантии;
• В довольно небольших количествах (до 0,5%) его можно найти в некоторых источниках природного газа. Как отмечают эксперты, ежегодно в процессе транспортировки природного газа происходит отделение 26 м 3 гелия-3;
• Также он присутствует в земной атмосфере. Удельная доля его составляет приблизительно 7,2 частей на триллион атомов прочих газов атмосферы. Согласно последним подсчетам, общая масса атмосферного 3 2 he достигает минимум 37 тысяч тонн.

Внеземная добыча

Лунная поверхность

Материалы на поверхности Луны содержат гелий-3 в концентрациях от 1,4 до 15 частей на миллиард в освещенных солнцем областях и могут содержать концентрации до 50 частей на миллиард в постоянно затененных областях. Ряд людей, начиная с Джеральда Кульцински в 1986 году, предлагали исследовать Луну , добывать лунный реголит и использовать гелий-3 для термоядерного синтеза . Из-за низких концентраций гелия-3 любое горнодобывающее оборудование должно будет обрабатывать чрезвычайно большие количества реголита (более 150 тонн реголита для получения одного грамма гелия-3), и в некоторых предложениях предлагалось совмещать извлечение гелия-3. на более крупную добычу и разработку.

Согласно некоторым источникам, основной целью первого лунного зонда Индийской организации космических исследований под названием Chandrayaan-1 , запущенного 22 октября 2008 года, было нанесение на поверхность Луны гелий-3-содержащих минералов. Однако такая цель не упоминается в официальном списке целей проекта, хотя многие из его научных полезных нагрузок отмечают приложения, связанные с гелием-3.

Космохимик и геохимик Оуян Цзыюань из Китайской академии наук, который в настоящее время отвечает за Китайскую программу исследования Луны , уже неоднократно заявлял, что одной из основных целей программы будет добыча гелия-3, в результате чего » каждый год три космических челнока могут доставить достаточно топлива для всех людей во всем мире ».

В январе 2006 года российская космическая компания РКК «Энергия» объявила, что считает лунный гелий-3 потенциальным экономическим ресурсом, который можно будет добыть к 2020 году, если удастся найти финансирование.

Не все авторы считают, что добыча лунного гелия-3 возможна, или даже, что он будет востребован для синтеза. Дуэйн Дэй , писавший в The Space Review в 2015 году, характеризует извлечение гелия-3 с Луны для использования в термоядерном синтезе как магическое / религиозное мышление и ставит под сомнение осуществимость извлечения на Луне по сравнению с производством на Земле.

Planetoid Mines Corporation, компания, занимающаяся раскопками, объявила 7 мая 2020 года о лунной миссии по добыче гелия-3 с использованием запатентованного оборудования ISRU , запуск которой состоится в 2023 году.

Другие планеты

Также предлагалась добыча газовых гигантов для гелия-3. Британское межпланетное общество гипотетический «s Проект Дедал дизайн межзвездного зонда подогревается гелий-3 мин в атмосфере Юпитера , например. Однако высокая гравитация Юпитера делает эту операцию менее энергетически выгодной, чем извлечение гелия-3 из других газовых гигантов Солнечной системы.

Открытие и список инертных газов

Инертные газы относятся к 18-й группе химических элементов периодической таблицы Менделеева. Всего существует 6 элементов, которые имеют следующие названия и формулы:

• гелий (He);
• неон (Ne);
• аргон (Ar);
• криптон (Kr);
• ксенон (Xe);
• радиоактивный радон (Rn).

Они довольно широко представлены во вселенной. По современным подсчетам космическая масса вселенной состоит на 76% из водорода, на 23% из гелия и только 1% приходится на другие элементы.

Водород и гелий ученые относят к элементам первичной материи вселенной. В атмосфере Земли благородных газов около одного процента. В основном это аргон. Их открытие — одна из увлекательнейших страниц истории науки.Содержание инертных газов в природе:

В космосе особенно много гелия, образующегося там из водорода в результате термоядерной реакции. После водорода, это самый распространенный элемент. На Земле гелий можно обнаружить в составе природных горючих газов.

• Неон присутствует в атмосфере и в земной коре — 0,00005 г/т.
• Аргон — это самый распространенный на планете инертный газ. (в земной коре его ничтожно мало, а в атмосфере почти один процент).
• Криптон, ксенон и радон обнаруживается в земной атмосфере и в отдельных минералах, содержащих уран.
• Радон относится к радиоактивным элементам, среди всех он один из самых тяжелых, он определяет степень естественной радиоактивности воздуха.

Первым из этих элементов был открыт гелий. В 1868 году его обнаружили в солнечном спектре. В Парижской академии газ назвали гелий или «солнечный». Британский химик Уильям Рамзай открыл гелий и на Земле, но уже после того, как был открыт аргон.

Рамзай высказал предположение: в азоте воздуха содержится неизвестный газ. Два года совместных исследований привели к сенсационным результатам. Был открыт новый газ, он оказался инертным. Он стал называться аргон — «медленный» или «неактивный».

Свойства гелия (таблица): температура, плотность, давление и пр.:

Примечание:

401* Плотность гелия согласно составляет 1,786·10-4 г/см3 (при 0 °C и нормальных условиях, состояние вещества – газ).

407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔH_пл) гелия согласно составляет 0,00723 кДж/моль.

408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔH_кип) гелия согласно составляет 0,084 кДж/моль.

410* Молярная теплоемкость гелия согласно составляет 20,79 см³/моль.

Маленькое препятствие

Хотя первые эксперименты в этой области проводились с гиперполяризованным ксеноном-129, вскоре его заменил гелий-3. Он безвреден, позволяет получать более четкие изображения, чем ксенон-129, имеет в три раза больший магнитный момент, что обусловливает более сильный сигнал в ЯМР. Кроме того, обогащение ксенона-129 из-за близости массы с другими изотопами ксенона — дорогой процесс, да и достижимая поляризация газа существенно ниже, чем у гелия-3. К тому же ксенон-129 обладает седативным эффектом.
Но если слабопольные томографы просты и дешевы, почему же метод МРТ с гиперполяризованным гелием не используется сейчас в каждой поликлинике? Есть одно препятствие. Но зато какое!

Человеческое производство

Распад трития

Практически весь гелий-3, используемый сегодня в промышленности, производится в результате радиоактивного распада трития , учитывая его очень низкое естественное содержание и очень высокую стоимость.

Производство, продажа и распределение гелия-3 в Соединенных Штатах контролируется Программой изотопов Министерства энергетики США (DOE) .

В то время как тритий имеет несколько различных экспериментально определенных значений периода полураспада , NIST перечисляет 4500 ± 8 дней ( 12,32 ± 0,02 года ). Он распадается на гелий-3 в результате бета-распада, как в этом ядерном уравнении:

3 1 ЧАС

→

3 2 Он 1+

+

е —

+

ν е

Среди общей выделенной энергии 18,6 кэВ, часть принимается электрон «ы кинетическая энергия изменяется, при среднем 5,7 кэВ, в то время как остальная энергия уносится почти незаметного электронного антинейтрино . Бета-частицы из трития могут проникать только около 6,0 мм воздуха, и они неспособны проходить через мертвый внешний слой кожи человека. Необычно низкая энергия, выделяемая при бета-распаде трития, делает этот распад (вместе с распадом рения-187 ) подходящим для измерения абсолютной массы нейтрино в лаборатории (последний эксперимент — KATRIN ).

Низкая энергия излучения трития затрудняет обнаружение меченых тритием соединений, за исключением использования жидкостного сцинтилляционного счета .

Тритий — это радиоактивный изотоп водорода, который обычно получают путем бомбардировки лития-6 нейтронами в ядерном реакторе. Ядро лития поглощает нейтрон и распадается на гелий-4 и тритий. Тритий распадается на гелий-3 с периодом полураспада 12,3 года, поэтому гелий-3 можно получить, просто храня тритий до тех пор, пока он не подвергнется радиоактивному распаду.

Тритий — важнейший компонент ядерного оружия, и исторически он производился и складировался в первую очередь для этого применения. Распад трития на гелий-3 снижает взрывную мощность термоядерной боеголовки, поэтому периодически накопленный гелий-3 должен удаляться из резервуаров боеголовки и тритий в хранилище. Гелий-3, удаленный во время этого процесса, продается для других целей.

На протяжении десятилетий он был и остается основным источником гелия-3 в мире. Однако с момента подписания Договора СНВ-1 в 1991 году количество ядерных боеголовок, находящихся в готовности к использованию, уменьшилось. Это привело к сокращению количества гелия-3, доступного из этого источника. Запасы гелия-3 еще больше сократились из-за возросшего спроса, в первую очередь для использования в детекторах нейтронного излучения и медицинских диагностических процедурах. Промышленный спрос на гелий-3 в США достиг пика в 70 000 литров (примерно 8 кг) в год в 2008 году. Цена на аукционе, составлявшая исторически около 100 долларов за литр, достигла 2000 долларов за литр. С тех пор спрос на гелий-3 упал примерно до 6000 литров в год из-за высокой стоимости и усилий Министерства энергетики по его переработке и поиску заменителей.

МЭ признал развивающийся дефицит как трития и гелия-3, и начал производить тритий облучения литии в том Tennessee Valley Authority «s Watts Bar станции ядерной генерирующей в 2010 г. В этом процессе тритий производит выгорающие поглощающие стержни (TPBARs) , содержащий литий в керамической форме вставляются в реактор вместо обычных стержней регулирования содержания бора. Периодически TPBAR заменяются и тритий извлекается.

В настоящее время для производства трития используется только один реактор, но при необходимости этот процесс можно было бы значительно расширить, чтобы удовлетворить любые мыслимые потребности, просто за счет использования большего количества национальных энергетических реакторов. Значительные количества трития и гелия-3 могут быть также извлечены из тяжеловодного замедлителя в ядерных реакторах CANDU .

Магнитно-резонансная томография

С момента своего появления в медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) стала одним из основных диагностических методов, позволяющих без всякого вреда заглянуть «внутрь» различных органов.
Примерно 70% массы человеческого тела приходится на водород, ядро которого, протон, обладает определенным спином и связанным с ним магнитным моментом. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, спин и магнитный момент ориентируются либо вдоль поля, либо навстречу, причем энергия протона в первом случае будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему строго определенную энергию, равную разнице между этими энергетическими уровнями, — например, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.

Именно так и устроен МР-томограф, только обнаруживает он не отдельные протоны. Если поместить образец, содержащий большое количество протонов в мощное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным вдоль и навстречу полю, окажутся примерно равными. Если начать облучать этот образец электромагнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и спином) «вдоль поля» перевернутся, заняв положение «навстречу полю». При этом происходит резонансное поглощение энергии, а во время процесса возвращения к исходному состоянию, называемому релаксацией, — переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление и называется ядерным магнитным резонансом, ЯМР. Средняя поляризация вещества, от которой зависит полезный сигнал при ЯМР, прямо пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля. Чтобы получить сигнал, который можно обнаружить и отделить от шумов, требуется сверхпроводящий магнит — только ему под силу создать магнитное поле с индукцией порядка 1−3 Тл.

Распространенность гелия-3

В Солнечной системе наибольший запас гелия-3 имеется в недрах газовых гигантов, таких как Юпитер или Сатурн. Однако, в отличие от звезд, постоянно вырабатывающих данный изотоп, близкие к нам планеты-гиганты получили его на этапе своего формирования, и теперь лишь хранят запасы гелия-3 в своих слоях.

Баллон с гелием-3

На Земле этот изотоп распространен в мизерных объемах, примерно в 7300 раз меньше, чем гелий-4. Масса гелия-3 в земной атмосфере оценивается всего в 35 000 тонн, в то время как полная масса атмосферы  5,2×1015 тонн. Постепенно данный изотоп улетучивается в космос, однако его небольшой запас находится в недрах нашей планеты и в малом количестве выходит наружу из различных ущелий в земной коре и вместе с извержениями вулканов, что позволяет восполнить его объем в атмосфере.

Получение[править | править код]

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников (на Земле доступны незначительные количества гелия-3, чрезвычайно трудные для добычи), а создаётся при распаде искусственно полученного трития.

Тритий производится отдельными государствами как компонент для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах. Несколько сотен тысяч литров гелия-3 были наработаны в рамках оружейных ядерных программ, однако эти запасы уже недостаточны для существующего в США спроса. Дополнительно около 8 тыс. литров гелия-3 в год получают из распада запасов трития в США. В связи с растущей нехваткой гелия-3 рассматривались такие ранее экономически нецелесообразные возможности его производства, как получение в водных ядерных реакторах, выделение из продуктов работы тяжеловодных ядерных реакторов, производство трития или гелия-3 на ускорителях частиц, экстракция естественного гелия-3 из природного газа или атмосферы.

Планы добычи гелия-3 на Лунеправить | править код

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце, и в некотором количестве содержится в солнечном ветре и межпланетной среде. Попадающий в атмосферу Земли из межпланетного пространства гелий-3 быстро диссипирует обратно, его концентрация в атмосфере чрезвычайно низка. При этом Луна, у которой нет атмосферы, сохраняет значительные количества гелия-3 в своём поверхностном слое (реголите), по отдельным оценкам — до 0,5 млн тонн, по другим — около 2,5 млн тонн.

Теоретически, при гипотетической реакции термоядерного синтеза, при которой в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 (по максимальным оценкам) могло бы хватить примерно на пять тысячелетий. Основной проблемой (если проигнорировать проблему реализуемости управляемых термоядерных реакторов с подобным горючим) 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 на месте не менее 100 млн тонн грунта.

НАСА разрабатывала эскизные проекты гипотетических установок по переработке реголита и выделению гелия-3.

В январе 2006 года глава РКК «Энергия» Николай Севастьянов заявил, что Россия планирует создать постоянную базу на Луне и отработать транспортную схему по доставке на Землю гелия-3 уже к 2015 году (при условии достаточного финансирования), а ещё через 5 лет начать промышленную добычу изотопа[значимость факта?]. По состоянию на 2021 год подобное остается только в проектах. В ноябре 2018 года глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин вновь[] подтвердил возможность использования гелия-3 как основы для ракетного топлива; при этом, одновременно с Д. Рогозиным, академик РАН Лев Зелёный заявил о практической бесполезности добычи гелия-3.

Похожие записи:

Женщины-стрельцы в 2021 году: гороскоп для огненного знака по сферам и месяцам «сонник война приснилась, к чему снится во сне война» Космический заговор: кто был первым космонавтом К чему снится армия Камни, обереги и талисманы знака зодиака лев: что выбрать представителю огненной стихии Как и почему происходит метеоритный дождь?