окончание, часть 2 из 2
см. часть 1.

В июне 2007 г. гостем нашего института был профессор Джералд Калсински — один из пионеров в исследовании проблемы термоядерного синтеза на ³He. На семинаре с участием российских экспертов учёный рассказал о состоянии исследований этой проблемы в США, в частности, об экспериментах на установках с инерционным электро­статическим удержанием плазмы.

Суть процесса состоит в том, что между двумя концентрическими сферическими сетками прилагается сверхвысокое напряжение порядка 200 кВ. В объём впрыскивают и ионизируют ³He + D. Под действием разности потенциалов ионы устремляются от периферии к центру и сталкиваются с энергией, достаточной для возбуждения термоядерной реакции. Возникновение синтеза ³He + D экспериментально продемонстрировано. Построены опытные установки нескольких типов.

Схема экспериментальной установки термоядерного синтеза на гелие-3
(предоставлена Дж. Калсински).

Выход термоядерной энергии при этом ещё очень мал по сравнению с подводимой для зажигания. А ведь любая энергетическая установка становится экономически целесообразной, когда отношение получаемой энергии к той, что необходима для поддержания процесса, больше единицы (Q> 1). В случае описанных профессором Калсински экспериментов Q составляет пока ничтожную величину порядка единицы ( Правда, как считает исследователь, нет фундаментальных трудностей для решения проблемы. Они в основном носят инженерный характер, причём разрешение их в рамках последовательных проектов вплоть до построения реактора, дающего полезную энергию, потребует не столь значительных средств. Речь идет о 10-15 годах и 6-8 млрд. долл.)

Кстати, заметим: реакция D + Т гораздо ближе к практической реализации. Здесь можно считать достигнутыми величины Q ~ 0,5-0,6. А в проекте ИТЭР предполагают получить уже полезный выход энергии.

В то же время, как считает Д. Калсински, термо­ядерная энергетика, основанная на использовании реакции D + Т, не имеет практической перспективы. Ведь реактор типа токамак (в рамках ИТЭР) представляет собой весьма массивное сооружение, а выделяющийся поток нейтронов довольно быстро приведёт к разрушению материалов, образующих внутреннюю часть конструкции. При эксплуатации возникнет не только необходимость захоронения радиоактивных отходов, но и проведения громоздких, дорогостоящих и неизбежно частых (каждые несколько лет) восстановительных работ. По мнению американского учёного, термоядерная энергетика на реакции D + Т может представлять интерес лишь с точки зрения накопления физического и инженерного опыта.

Впрочем, с такими утверждениями не все согласятся. Безусловно, этой категоричной точке зрения можно противо­поставить контраргументы. Многие известные физики, с которыми я затрагивал эту тему, проявляют изрядный скептицизм в отношении термоядерной энергетики на ³He. Вместе с тем нельзя не учитывать, что научная карьера большинства крупнейших специалистов в области термоядерного синтеза связана с исследованием процессов магнитного удержания плазмы и традиционными установками типа токамак. Да и в изысканиях, связанных с термоядерным оружием, вопрос о ³He не был актуален, поскольку решались другие задачи. Здесь нужно, по-видимому, прежде всего серьёзное внимание к проблеме и адекватное наращивание экспериментальных и теоретических работ.

Полное обеспечение потребностей землян в энергии потребовало бы порядка 20 млрд. тонн в год вскрышных работ. Конечно, эти объемы представляются фантасти­ческими. Однако сравнивать следует с теми, что проводятся в интересах энергетики на Земле. Сегодня тут добывают около 5 млрд. т угля в год. Объёмы вскрышных работ на порядок больше. Выходит, это сопоставимо с гипотетическим масштабом на Луне. А ведь энергетическая, экологическая и экономическая эффективность сходных по масштабу работ в итоге окажется там гораздо выше. Их организация — вполне в пределах современных экономических и технических возможностей человека. Но поскольку потребуются десятки лет целенаправ­ленного труда, начинать нужно сейчас.

Интенсивность полётов по трассе Земля — Луна должна уже сейчас составлять несколько раз в год. А сегодня у нас в программе только один запуск аппарата «Луна-Глоб», запланированный на 2012 г.

Отношение к проблеме лунного гелия-3 разное. Есть суждения, связанные с недостаточным знанием предмета. Среди них есть как легковесно отвергающие, так и излишне оптимистичные суждения и предложения. У ряда учёных существует обоснованно сдержанное отношение к проектам использования лунного гелия-3. Во-первых, проблема управляемого термо­ядерного синтеза пока не решена. Во-вторых, развертывание горно­добывающей промышленности на Луне выглядит трудноосуществимым. В-третьих, возможно, появятся не менее продуктивные альтернативные решения проблем земной энергетики и экологии.

Как разумно поступить в этих условиях? Не следует форсировать события. Но проблему нужно держать в поле зрения так, чтобы, если появятся отчётливые предпосылки становления термоядерной энергетики, не опоздать с созданием соответствующих предпосылок в части освоения Луны.

Собственно ³He не придется возить с Луны в течение ближайших лет. Но должны быть предприняты необходимые геологоразведочные, испытательные и другие подготовительные работы. Причём на начальном этапе они могут быть вписаны в рамки общих исследовательских работ на Луне. Предполагаемые исследовательские проекты включают несколько приоритетных задач и соответственно разные методы их решения при помощи космических средств. Это прежде всего — получение данных о внутреннем строении Луны, планируемое в проекте «Луна-Глоб». Имеется в виду посредством химико-минералогической интерпретации сейсмических данных получить представление о химическом строении нижней мантии Луны, а также установить размеры лунного ядра. Следующим приоритетом является отбор и доставка грунта с Луны.

Контролируемый сбор образцов при помощи луноходов с доставкой собранной коллекции на Землю, на мой взгляд, должен стать основой стратегии беспилотной формы исследования Луны. Луноходы могут использоваться также для формирования сети измерений. Проблема изучения внутреннего строения Луны, конечно, не будет исчерпана однократным проектом с использованием пенетраторов. Луноходы, расставляя по маршруту датчики, позволят создать долговременную и возобновляемую сейсмическую сеть, которая со временем позволит производить детальную глубинную сейсмическую томографию Луны. Существует также необходимость в изучении теплового потока Луны, локальной намагниченности.

Одновременно следует производить планомерное картирование обширных площадей на содержание гелия-3. Прямой анализ концентрации ³He в лунной почве затруднителен. Однако существуют косвенные методы, которые позволяют оценить присутствие гелия-3 с достаточной достоверностью.

Луна лишена атмосферы и магнитного поля. Поэтому лунная поверхность непрерывно облучается мощным потоком солнечного ветра и микрометеоритов. Солнечный ветер представляет собой поток ионов, испускаемых Солнцем. Эти ионы, представленные ядрами Н, С, N, Не и др., внедряются в минералы лунной почвы. Чем дольше экспонируется реголит, иначе говоря, чем выше зрелость реголита, тем больше содержание имплантированных элементов, в том числе ³He. Отличительной чертой лунной почвы является присутствие агглютинатов. Это скрепленные закаленным расплавом (стеклом) мелкие частицы. Образование их обусловлено ударом микрометеоритов. Налетающая с высокой скоростью микрочастица производит дезинтеграцию минералов реголита и одновременно ударное плавление. Расплав захватывает микрочастицы реголита и застывает в виде агглютинатов. Концентрация агглютинатов является мерой зрелости реголита. Чем дольше реголит экспонируется, тем больше накапливается агглютинатов. В агглютинатах присутствует фаза однодоменного тонкодисперсного железа (Fe°), которое генерирует сигнал ферромагнитного резонанса. Интенсивность этого сигнала является индикатором зрелости реголита. Это, в свою очередь, может быть использовано для оценки содержания в реголите элементов, имплантированных солнечным ветром.

Имеет значение размер зёрен реголита. У слишком крупных частиц относительно мала поверхность, а очень мелкие — не удерживают гелий. Оптимальный размер 20-50 мкм. Существенен минеральный состав зёрен. Лучше всего гелий накапливается в ильмените — минерале, содержащем титан. Существует отчётливая корреляция между содержанием Fe и Ti и концентрацией ³He в реголите.

Все эти свойства реголита, позволяющие оценить перспективность грунта на содержание ³He, могут быть определены с помощью соответствующих датчиков и устройств, размещённых на борту луноходов. Содержание Fe и Ti, интегрированные по большим площадям, могут быть также определены измерениями с орбитальных аппаратов. Для калибровки орбитальных измерений также важно располагать данными прямых измерений этих элементов в лунной почве, выполненных с луноходов.

Разведочные работы на гелий-3 должны быть продолжены экспериментальными исследованиями возможных технологий добычи, выделения и обогащения гелия-3 в условиях Луны, испытанием лунных комбайнов. Это, вероятно, уже потребует строительства лунных баз и участия человека. Переход к этим работам следует планировать приблизительно к 2020-2030 гг. К этому времени должна быть разработана надёжная и эффективная система, обеспечивающая перемещение людей и грузов на маршруте Земля — Луна.

Нужно подчеркнуть, что освоение лунного гелия-3 неизбежно повлечёт за собой создание ряда других производств. Достаточно сказать, что при тепловой обработке (600-800°С) реголита вместе с гелием будут выделяться и другие элементы, в том числе углерод и водород. Они могут быть использованы для синтеза ракетного топлива. Нетрудно наладить получение кислорода из силикатов и, следовательно, производить окислитель. Луна богата титаном и самородным железом. Есть, следовательно, богатое сырьё для местного металлургического производства. В том числе можно производить металлические конструкции и корпуса ракет прямо на Луне. С Земли придется доставлять только высокотехнологичные элементы. Необходимую для жизнедеятельности людей и многих технологических процессов воду также можно получать на Луне. Возможно, её ресурсы есть в полярных областях. Это необходимо будет определить в ходе ближайших миссий к Луне. В частности, это запланировано в нашем проекте «Луна-Глоб».

Необходимо менять традиционное мышление, рассматривающее Луну как удалённый астрономический объект. Луна должна быть включена в хозяйственный оборот Земли. Причём это — не мечты, это — неизбежная и насущная хозяйственная задача, которая должна быть решена до конца этого столетия.

Космическая наука и космическая промышленность должны быть готовы к такому повороту событий.

В целом со стороны Роскосмоса и его ведущего Института стратегического планирования ЦНИИМАШ есть благоприятное отношение к перспективе освоения лунного гелия-3. Однако это не находит никакого отражения в практической деятельности Роскосмоса.

© Академик РАН Э.М. Галимов.