Комментарий автора сайта. С активацией американской Лунной космической программы всё чаще приходится слышать о том, что наряду с наличием воды, на Луне находятся огромные запасы изотопа гелия-3 - топлива ядерной энергетики будущего. Так ли это, какие перспективы это сулит человечеству, нужно ли вообще нам исследовать Луну и каким образом это можно осуществить - вот только небольшой перечень вопросов, ответы на которые Вы узнаете в данной статье, являющейся главой "Гелий-3" из книги академика РАН Эрика Михайловича Галимова "Замыслы и просчёты: Фундаментальные космические исследования в России последнего двадцатилетия. Двадцать лет бесплодных усилий."

Владимир Каланов
"Знания-сила".

Тот факт, что Луна обогащена гелием-3, известен с тех пор, как на Землю было впервые доставлено лунное вещество. В образцах лунного грунта, привезенных американскими астронавтами в ходе экспедиций «Аполлон» и доставленных советскими автоматическими аппаратами «Луна», относительная концентрация изотопа гелия ³He (отношение ³He/⁴He) оказалась в тысячу раз выше, чем в земном гелии. Это — результат облучения незащищенной атмосферой поверхности Луны корпускулярным излучением Солнца. В течение миллиардов лет в поверхностный пылевидный слой (реголит) Луны внедряются атомы элементов, испускаемых Солнцем, больше всего — водород и гелий в изотопном соотношении, присущем Солнцу. Другой факт — что ³Не является эффективным термоядерным горючим — известен был физикам ещё раньше. Однако никакого практического вывода из этих фактов в те годы не делалось. Земная энергетика обеспечивалась за счёт быстро развивающейся добычи нефти и газа. Атомная энергетика базировалась на доступном урановом сырье. Управляемый термоядерный синтез не был осуществлен даже на более простой реакции дейтерия с тритием. На Земле гелий-3 в промышленных количествах отсутствует.

В конце 80-х — начале 90-х гг. появились публикации о возможном использовании Луны в качестве источника энергии для Земли. Предлагались, например, проекты передачи на Землю собранной на поверхности Луны солнечной энергии в форме сфокусированного высокочастотного луча. Высказывалась и идея добычи и доставки лунного гелия-3. Энтузиастом этой идеи, в частности, был побывавший на Луне американский астронавт Гарольд Шмидт. Он написал серьезную книгу о возможности использования гелия-3.

Призывая вернуться к исследованиям Луны, я помимо конкретной и актуальной задачи исследования внутреннего строения Луны, постоянно упоминал в качестве задачи, которую нужно иметь в виду в качестве отдаленной перспективы, освоение ресурсов лунного гелия-3.

Я думаю, что сегодня мы не предвидим в полной мере того, что даст нам освоение Луны, и потому приступаем к этому неуверенно, робко и с задержкой. Мне не раз приходилось писать о том, что исследование Луны имеет большое значение для фундаментальной геологии. Реконструкция ранней истории Земли, возникновения на ней атмосферы, океанов и жизни, невозможна без изучения Луны. Хотя бы просто потому, что следы первых 500-600 млн. лет истории Земли полностью стерты в её геологической летописи, а на Луне они сохранились. И потому что Луна и Земля представляют генетически единую систему.

Но Луна может иметь огромное практическое значение. Прямолинейное воображение ищет расширения привычных возможностей. Но будущее, возможно, совсем не там, где мы его ждём. Использование лунного гелия-3 является новой уникальной перспективой, гигантской по своим масштабам и возможному влиянию на судьбы человечества, которая открылась взору с освоением космоса.

Когда мы говорим об освоении Луны и её ресурсов, надо понимать, что нет ни одного полезного ископаемого, вообще ни одного вещества, которое было бы экономически выгодно привозить с Луны на Землю, за одним исключением. Это исключение — гелий-3.

Реакция с гелием-3 имеет одно уникальное свойство: в отличие от большинства ядерных реакций, и в частности от реакции D + Т, она идет с выделением протонов (р), а не нейтронов (п). Нейтроны глубоко проникают в окружающие конструкционные материалы, делают их радиоактивными и разрушают их. Поэтому каждые несколько лет приходится заменять конструкции и захоранивать радиоактивные отходы. Протоны не проникают глубоко вглубь и не наводят радиоактивность. Практически — это поток водорода. Поэтому материалы могут служить десятилетиями. Не возникает проблема захоронения радиоактивных отходов. Удивительно, что ядерная реакция может быть практически «нерадиоактивной». Небольшая радиоактивность связана с побочной реакцией D + D. Но в целом реакция с гелием-3 в 50 раз менее радиоактивна, чем реакция дейтерия с тритием. Главное преимущество гелия-3 состоит даже не в его энергетической ценности, а в уникальной экологической безопасности основанной на нём энергетики.

В последние десятилетия стало ясно, что мы находимся на пороге серьёзного энергетического кризиса. Запасы углеводородного сырья приближаются к концу и, очевидно, будут исчерпаны за несколько следующих десятилетий. Так называемые альтернативные источники — энергия ветра, фотоэлектрические батареи и т.п. — могут дать лишь частные решения. Расчёты показывают, что они не смогут заменить углеводородное сырье в энергетическом балансе Земли. Есть ещё уголь. Считается, что его хватит лет на 200-300 при современных объёмах добычи. Доля угля в современном энергетическом балансе около 20%. Если она возрастет до 70% при попытке заменить им углеводородное сырье, то ресурс угля также окажется не таким долговременным. К тому же это крайне экологически неблагоприятный источник энергии. Остается атомная энергетика, основанная на делении урана. Но опыт показал, что её страшный бич — радиоактивные отходы. Сегодня атомная энергетика занимает 7% в энергетическом балансе, но если переложить на её плечи обеспечение всей потребности в энергии, тем более постоянно возрастающей потребности, человечество погрязнет в радиоактивных отходах.

Идеальным решением было бы освоение экологически чистого и эффективного во многих других отношениях термоядерного синтеза, основанного на реакции с ³He. Но сырьё для этого есть только на Луне.

Запасы гелия-3 на Луне огромны — около одного миллиона тонн. Их хватит более чем на тысячу лет. Энергетическая эффективность гелия-3 также грандиозна: 1 тонна гелия-3 заменяет 20 млн. т нефти, т.е. обеспечивает в течение года мощность порядка 10 ГВт. Чтобы обеспечить потребность всего человечества, понадобится 200 т ³He в год, а современная потребность России — 20-30 т в год.

Но содержание ³He в лунной почве (реголита) очень мало, всего около 10 миллиграмм на тонну. Это означает, что ежегодно придётся вскрывать порядка 20 млрд. т реголита, что эквивалентно площади 30 × 100 км при мощности реголита 3 метра.

Конечно, переработка миллиардов тонн грунта на Луне кажется фантастичным предприятием. Сегодня мы рассматриваем как большое достижение доставку нескольких сот килограмм на лунную орбиту и лунную поверхность.

Речь же идёт о том, что на Луну, практически в полном объёме, должна быть переведена горнодобывающая индустрия Земли — её топливно-энергетический сырьевой комплекс. Процесс этот займет несколько десятков лет, но начинать нужно сегодня.

Наличие гелия-3 на Луне — это подарок природы. Приведу такое, как мне кажется, наглядное сравнение. Я отмечал, что одна тонна гелия-3 обеспечивает энерговыделение, эквивалентное 20 миллионам тонн нефти. Можно сказать и по другому: 10 мг гелия-3, содержащиеся в одной тонне лунного реголита, соответствуют приблизительно энерговыделению одной тонны нефти. Иначе говоря, энерговыделение, связанное с 1 м³ реголита, соответствует энерговыделению 1 м³ нефти. Это значит, что покрытая реголитом поверхность Луны представляет как бы сплошной океан нефти. Но использовать эту нефть было бы практически невозможно. Мы не можем перевозить с Луны сотни миллионов тонн груза. Однако представим на минуту, что приходит гениальный инженер и говорит: я знаю, как превратить 20 млн. т нефти в 1 т вещества, перевести его с Луны, что не составляет труда, а затем на Земле получить из этой 1 т вещества энергию, эквивалентную 20 млн. т нефти. Думаю, что, если бы такая возможность представилась, уже сегодня развернулась бы работа по реализации этого проекта. Но это ведь и есть гелий-3. Это ведь и есть концепция его добычи из миллиардов тонн реголита, доставка немногих тонн гелия-3 на Землю и получение энергии, эквивалентной современным ресурсам углеводородного сырья на Земле.

Можно спросить, а готова ли инфраструктура термоядерной энергетики к потреблению и использованию ³He? Нет, сегодня она отсутствует. Хотя управляемый термоядерный синтез в промышленных масштабах ещё не осуществлён, работы в этом направлении уже выходят в практическую плоскость. Во Франции начинается строительство Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР, который сможет поставлять энергию термоядерного синтеза. Используется реакция дейтерия с тритием: D + Т = п + ⁴He (+17,59 МэВ).

Реакция дейтерия с гелием-3: D + ³He = p + ⁴He (+18,35 МэВ) требует для зажигания плазмы в три раза более высоких температур, чем реакция дейтерия с тритием.

Реализация контролируемого ядерного синтеза в самом простом варианте D + Т заняла более 50 лет. Для реакции D + ³Не требуются более жесткие условия. Однако нельзя забывать, что за эти пятьдесят лет человечество научилось контролировать температуру от нескольких тысяч градусов, в середине прошлого века, до сотни миллионов градусов сегодня. Предстоит сделать ещё один гораздо более короткий шаг — увеличить контролируемую температуру ещё в три раза. При этом современная инженерная технология не идёт в сравнение с технологиями пятидесятилетней давности. Накоплен огромный опыт работы с высокотемпературной плазмой. Можно ли в этих условиях надеяться, что достижение контролируемой реакции D + ³Не займет не более 20-30 лет?

Раньше чем через 20-40 лет, лунный гелий не потребуется. В течение этого времени, нужно ожидать, будет решена задача промышленного освоения управляемого термоядерного синтеза с участием гелия-3. Для экспериментов, даже для создания достаточно мощного опытного термоядерного реактора, перевозить лунный гелий не потребуется. Имеются запасы изотопа ³He, накопленные в результате радиоактивного превращения трития (Т), используемого в термоядерном оружии. Поэтому у стран, располагающих термоядерным оружием (Россия и США), имеются в распоряжении несколько сот килограммов гелия-3.