探月高潮中的神秘元素 氦-3

从20世纪90年代开始,人类掀起了新一轮的探月高潮,在这次探月高潮中,有一种神秘的元素成为世人共同的目标,它就是氦-3。

氦3是一种地球上极其罕见的资源,却广泛分布在月球表面月壤中。氦-3的价值估计高达每吨30亿美元,不少国家已经盯上了这种东西。世界多国在新一轮的月球探测规划中已经将月球资源的开发利用和月球基地的建设列为重要战略目标。那么,氦-3究竟有什么魔力,让各国科学家为之疯狂呢?

什么是氦-3

氦-3是一种氦气同位素气体,含有2个质子和一个中子,化学符号3He,气体具有无色,无味,无臭稳定的气体。

氦-3有着许多特殊的特性。当氦-3和氦-4以一定的比例相混合后,通过稀释制冷理论上温度可以降低到无限接近绝对零度。在温度达到2.18K以下的时候,液体状态的氦-3还会出现“超流”现象,即没有黏滞性,它甚至可以从盛放它的杯子中“爬”出去。然而,当前氦-3最被人重视的特性还是它作为能源的潜力。氦-3可以和氢的同位素发生核聚变反应,但是与一般的核聚变反应不同,氦-3在聚变过程中不产生中子,所以放射性小,而且反应过程易于控制,既环保又安全。

地球上氦-3的储量总共不超过几百公斤,难以满足人类的需要。 但是科学家发现,它在月球上它的储量却是非常可观的,估计有100万吨氦-3嵌附在月球表层。

氦-3罕见于地球,却在月球上大量储存,其主要原因在于月球自身没有磁场,才使氦-3粒子能在月壤内“安营扎寨”。月球作为太阳风粒子的收集器,在形成至今的40亿年时间里,有2亿~5亿吨氦-3粒子打在月球表层10~50米深的土壤内。而地球上的氦-3粒子在地球磁场的作用下,沿着地球磁力线慢慢扩散,最终被大气层“俘获”而消失。

 氦-3的巨大应用前景

20世纪90年代,各国科学家利用氢的同位素氘和氚进行控制性热核反应,取得了突破性进展,氘和氚成为核能发电的新型材料。

作为能产生受控热核反应的重要元素氚,需要从核反应中获取。因此,科学家提出用氦的同位素,氦-3代替氚。由于氦-3的热核反应堆中没有中子(氦-3与氘进行热核反应只会产生没有放射性的质子),故使用氦-3作为能源时不会产生辐射,不会为环境带来危害。所以说,氦-3是一种清洁、安全和高效率的核融合发电燃料。

氦-3气体是进行核聚变反应发电的优质、高效燃料。月球表层还有丰富氦-3资源,只需加热到合适的温度,90%以上的氦-3就会释放出来。根据实验数据计算,利用氚和氦-3的热核聚变反应,1公斤氦-3可以发电10000千瓦,那么10吨氦-3就能满足我国一年所有的能源需求,100吨氦-3便能提供全世界使用一年的能源总量。这个消息可谓是振奋人心,让人激动不已,因为这意味着在实现了氘-氦-3核聚变反应后,月球上如此丰富的氦-3可以为人类持续提供一万年以上能源需求的燃料!这势必将对人类的经济和社会发展发生重大深远的影响,能有效解决人类面临的能源危机。

氦-3和登月计划

我国探月工程其中一项重要计划,就是对月球氦-3含量和分布进行一次由空间到实地的详细勘察,为人类未来利用月球核能奠定坚实的基础 。

早在嫦娥一号任务中,我国就把“探测月壤特性,研究月表年龄和演化,以及估算月壤中氦3的分布赫尔资源量”作为了四大科学目标之一。

在嫦娥三号任务中,“月表物质成分和可利用资源调查”同样被列为三大科学目标之一。2015年4月,我国科学家利用嫦娥三号“玉兔”月球车的测月雷达数据首次给出了较为可靠的月壤厚度估计,认为前人的估计方法可能普遍低估了月壤厚度和氦-3总储量。

2020年,我国发射的嫦娥五号成功登陆月球表面,在那里挖到了1.731公斤的月岩和月壤。最终,嫦娥五号带着这些月球样品成功返回地球。此次月球采样任务引发全球科学家的高度关注,这是人类时隔将近半个世纪后再度派探测器上月球采样。

从2020年到2030年或2035年,我国将在10-15年的时间内遵循无人月球科研站基本型——载人登月——短期有人/无人月球科研站的路线,实现月球的开发。

然后用10年左右的时间,也就是在接近建国100周年时,建成综合型的月球基地。

在我国和世界各国航天科研人员的努力下,相信有那么一天,人类可以像现在科幻电影里那样,把月球上的氦-3资源给很好地利用起来!

 

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