Техника - молодёжи 2006-04, страница 6

4 2006 №04 ТМ

ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОЗРЕНИЕ

те, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится порядка 10^б т гелия-3 — примерно тысячная доля выпавшего на лунную поверхность. Кудаделся остальной гелий — не вполне понятно; возможно, часть находится глубоко в недрах Луны, покрытая более молодыми породами, а часть испарилась при нагреве грунта микрометеоритами и улетучилась в межпланетное пространство. Однако и «доступные» для разработки запасы в 1 млн т обеспечили бы земную энергетику, даже увеличенную по сравнению с современной в несколько раз (до 6000 ГВт), на 1000 лет. Гелий-3 также содержится в атмосферах планет-гиган-тов, и, по оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 10²⁰ т, чего хватит для энергетики Земли навсегда.

Реголит покрывает Луну слоем толщиной в 5-15 м. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100000 т реголита.

Известно, что существует связь между концентрацией ³Не в реголите и содержанием оксида титана ТЮг, что позволяет путём зондирования с окололунной орбиты приблизительно оценить количество гелия-3 в выбранном районе. Как выяснилось в результате картирования, проведенного «Клементиной», наиболее «гелиеносным» районом Луны является Море Спокойствия.

ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ ГЕЛИЯ-3 НА ЛУНЕ

Чтобы получить драгоценный изотоп, его необходимо «вытопить» из лунного грунта. Промышленность по добыче гелия-3 должна включать следующие процессы:

1.Добыча реголита. Специальные «комбайны» должны собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или же перерабатывать непосредственно в процессе добычи. Для получения 1 кг ³Не с энергетическим эквивалентом 6x10⁵ ГДж необходимо собрать 100000 т реголита, для чего требуются, по оценкам, энергозатраты порядка 2,2x10³ ГДж.

По предложению Святославского, «комбайн» должен отделять тонкую фракцию реголита — зерна размером менее 50 микрон — в которой

Г ^НЬ*^' I

Лунный завод

содержится большая часть гелия-3. У тонкой фракции есть и еще одно преимущество — её теплопроводность выше, чем у «крупнозернистой», поэтому выпаривание газов можно произвести быстрее.

2.Десорбция гелия из реголита. При нагреве до 600 °С десорбирует-ся 75% содержащегося в реголите гелия-3, при нагреве до 800 °С — почти весь гелий-3 (порядка 95%).

Нагрев предлагается вести, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами. Доставка «солнечных печей» на Луну требует энергозатрат примерно 180 ГДж/кг. Комбайн должен «соскребать» с поверхности прогретый солнцем слой реголита, нагревать его, собирать выделившиеся газы, а затем выбрасывать отработанный реголит наружу, пропустив его через теплообменник, где он отдаст своё тепло холодному «входящему» реголиту— такая рекуперация тепла позволит в несколько раз увеличить производительность. Солнечный нагрев — не единственный возможный вариант. Более рациональным может оказаться нагрев с помощью ядерного реактора — ядерный комбайн, в отличие от солнечного, при сравнимой массе сможет работать не только в течение лунного дня, но и ночью. Один комбайн, в зависимости от мощности, мог бы за год добыть от 3 до 30 кг гелия-3 (напомним, что для годовой работы гига-ваттной электростанции необходимо 100 кг).

3. Разделение изотопов ³Не и "Не. Разделение изотопов ³Не и "Не предлагается вести в две ступени. На первой производится криогенная дистилляция, использующая разницу в температурах ожижения изотопов. На второй ступени используется сверхтекучесть "Не при охлаждении ниже 2,1 К. Разделение изотопов рекомендуется вести лунной ночью, когда температура поверхности падает до 120 К. Затраты энергии на него оцениваются в 180 МДж/кг.

Надо сказать, что Луна располагает обильными запасами холода, значительно упрощающими задачу разделения — на глубине 1 м всегда держится температура порядка 250 К, поверхность реголита перед восходом остывает до 100 К, а в тени можно получить практически «температуру открытого космоса» — 4 К, что уже достаточно для ожижения гелия.

4.Доставка на Землю. После всех процедур получаем конечный продукт — жидкий гелий-3. При доступных температурах он (в отличие от гелия-4) не сверхтекуч, а значит, «усушка и утруска» драгоценного изотопа будет незначительна. Энергозатраты на доставку жидкого ге-лия-3 на Землю оцениваются в 1 ГДж/кг. Заметим, что в грузовой отсек «Шаттла» поместилось бы 25 т гелия-3 — больше, чем доста

точно, чтобы на год обеспечить потребность России в электроэнергии.

Таким образом, суммарные энергозатраты на доставку гелия-3 на Землю составляют 2,4 х Ю³ ГДж/кг. При сжигании гелия-3 в термоядерном реакторе выделяется 6 х Ю⁵ ГДж/кг, т.е. получаем выигрыш в энергии до 250 раз. Для сравнения: выигрыш энергии при сжигании ископаемых топлив не выше 30 (16 для угля, 20 для урана).

При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные сопутствующие вещества (водород, вода, азот, углекислый газ, метан, угарный газ), которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса. В частности, водород и кислород Кульчински предлагает сжигать в топливных элементах для обеспечения энергией реголитоперерабатывающего комбайна. Сжигание метана и СО также может внести вклад в прогрев реголита.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ

Как ни парадоксально, по энергетическому эквиваленту лунный гелий-3 может оказаться дешевле земного каменного угля.

По оценкам Дж. Кульчински, затраты на организацию системы транспортировки составят 3,5-4 млрд $ + 750 млн $ через каждые 10 рейсов кЛуне. Доставка 7 т гелия-3 на околоземную орбиту — порядка 30 млн $.

В 1990 г. США потратили на топливо для производства электроэнергии 50 млрд $. Такое же количество энергии можно получить из 25 т гелия-3. Таким образом, цена в 2 млрд $ за тонну гелия-3 была бы вполне приемлемой. Цена даже в 1 млрд $ за тонну гелия-3 эквивалентна цене 7$ за баррель нефти или 15$ за тонну угля, что заметно ниже современных рыночных цен (70$ и выше за баррель нефти!). Значит, цена за 1 т ге-лия-3 в 10 млрд $ и даже выше более чем приемлема.

Добыча гелия-3 на Луне выглядит вполне выгодной, как с чисто энергетической, так и с экономической точки зрения — разумеется, при условии, что на Земле эксплуатируется значительное число термоядерных реакторов, сжигающих гелий-3. Создание таких реакторов представляется в принципе вполне осуществимым, хотя и требует значительных усилий и времени — вряд ли меньшего, чем 30 лет.

Большой срок? Но такое же, если не большее, время¹ займет и создание лунной инфраструктуры для добычи гелия-3. Поэтому желательно, чтобы «лунная» и «термоядерная» части программы, нацеленной на создание энергетики второй половины XXI в., были скоординированы. ОП

¹ Руководство РКК «Энергия», например, настроено куда оптимистичнее... — Ред.