Mjesec i peni, ili istorija energije helijuma. Helijum-tri - energija budućeg helijuma na mjesecu
Od svih atoma helijuma koji postoje na Zemlji, 99,999862% atoma ima masu koja je 4 puta veća od mase atoma vodika. Ovo je helijum-4. Njegove atomske jezgre su alfa čestice koje nastaju tokom radioaktivnog raspada. A preostalih 0,000138% atoma helija samo je 3 puta teže od atoma vodika. Ovo je helijum-3.
Omjer helijuma-3 i helijuma-4 na skali Univerzuma je značajno drugačiji - tamo se broj ovih izotopa razlikuje za otprilike jedan red veličine. U meteoritskoj materiji i lunarnim stijenama sadržaj helijuma-3 kreće se od 17 do 32% ukupne količine helijuma. Prije nekoliko milijardi godina na Zemlji je odnos helijuma-4 i helijuma-3 bio isti kao u cijelom Univerzumu. Međutim, tokom vremena koje je od tada prošlo, helijum nastao tokom primarne nukleosinteze potpuno je ispario iz zemljine atmosfere. I sav helijum koji se danas nalazi na Zemlji nastao je kao rezultat radioaktivnog raspada. Odnosno, na Zemlji postoji skoro samo helijum-4. A helijum-3 nastaje samo na Suncu kao rezultat termonuklearnih reakcija koje se tamo dešavaju (uglavnom se helijum-4 formira na Suncu, ali se i tamo formira mnogo helijuma-3). Sa Sunca ovi elementi lete u svemir u obliku takozvanog „solarnog vjetra“ ( posebna vrsta kosmičke zrake). “Sunčev vjetar” ne dopire do Zemlje i drugih planeta: atmosfera i magnetno polje interferiraju. Ali, recimo, na Mjesec, koji je lišen atmosfere, čestice “sunčevog vjetra” padaju i “zaglavljuju se” u površinskom sloju tla.
Do nekog vremena ove su činjenice bile od čisto teorijskog interesa. Na praktičnom nivou, ljudi su počeli da govore o helijumu-3 kada je postalo jasno da će nafta nestati u narednim decenijama. Ugalj i gas će trajati malo duže, ali ne dugo. Očigledno, jedini način da se riješi energetski problem je korištenje energije atomskog jezgra. Međutim, rezerve uranijuma takođe nisu beskonačne... Stoga je ideja o upotrebi termonuklearne fuzije uvek bila popularna već pola veka.
U termonuklearnim reakcijama koje se odvijaju na Suncu, četiri atoma lakog izotopa vodika se kombinuju i formiraju jedan atom helija, oslobađajući energiju. Međutim, za termonuklearne reakcije proizvedene na Zemlji, lagani izotop vodika (koji čini 99,985% ukupnog vodonika) nije prikladan jer reakcija fuzije lakih vodonikovih izotopa ima izuzetno mali poprečni presjek (vjerovatnost reakcije). Upravo taj nizak presjek reakcije osigurava stabilnost Sunca - inače ne bi bila stabilna termonuklearna reakcija, već termonuklearna eksplozija.
Za termonuklearne reakcije proizvedene na Zemlji, potreban nam je "teški vodonik" - deuterijum. Od vodonika koji postoji na Zemlji (uglavnom u obliku vode), deuterijum čini 0,015%. Može se ekstrahirati elektrolizom obične vode, u kojoj deuterijum čini 0,0017% masenog udjela. Međutim, pored deuterija, termonuklearna reakcija zahtijeva drugu komponentu, čiji atom mora biti 3 puta teži od vodika. To može biti ili "super-teški vodonik", koji se zove tricijum, ili isti helijum-3. Pored toga, tricijum ne postoji na Zemlji, veoma je radioaktivan i nestabilan. Tricij je pogodan za hidrogenske bombe i eksperimentalne instalacije, ali ne i za "industrijske" reaktore (u hidrogenskim bombama tricij nastaje kada se litij ozrači neutronima kao rezultat reakcije: 6 Li + n -> 3 H + 4 He) . Termonuklearna reakcija koja se javlja uz učešće tricijuma opisana je sljedećom jednačinom: 2 H + 3 H -> 4 He + n + 17,6 MeV. Upravo se ova reakcija smatra glavnom u planiranim projektima, posebno u međunarodnom projektu ITER koji se stvara.
Međutim, nedostatak takve reakcije je, prvo, potreba za visoko radioaktivnim tritijem, a drugo, činjenica da se tokom takve reakcije stvara jako neutronsko zračenje. Stoga u U poslednje vreme stvaraju se projekti za termonuklearnu reakciju „bez neutrona“, gorivo za koju je helijum-3, lagani izotop helijuma. Jednačine za "bez neutronske" reakcije su:
3 He + 3 He -> 4 He + 2p + 12,8 MeV,
3 He + D -> 4 He + p + 8,35 MeV.
Prednost helijum-3 reakcija u odnosu na deuterijum-tricijumsku reakciju je u tome što, prvo, ne zahteva radioaktivne izotope kao gorivo, i drugo, rezultirajuća energija se ne odnosi neutronima, već protonima, od kojih će biti lakše izvlačiti energiju.
Jedini problem je praktično odsustvo helijuma-3 na Zemlji. Ali, kao što je gore navedeno, helijum-3 je prisutan u lunarnom tlu. Dakle, da bi imali izvore energije nakon što ponestane fosilnih goriva, svemirske agencije različite zemlje Razvijaju planove za izgradnju baze na Mjesecu koja će prerađivati mjesečevo tlo (zvano regolit), iz njega izvlačiti helijum-3 i dostavljati ga u tečnom obliku u termonuklearne elektrane na Zemlji. Jedna tona helijuma-3 dovoljna je da podmiri energetske potrebe cijelog čovječanstva za nekoliko godina, što će pokriti sve troškove stvaranja lunarne baze. Bush je već postavio cilj: stvoriti američku lunarnu bazu 2015-2020.
Šta se danas radi u Rusiji? Ovdje je izbor poruka novinskih agencija
„Rusija bi mogla da nastavi svoj lunarni program u roku od nekoliko godina
15. januara 2004
U Rusiji se razmatra pitanje obnavljanja programa istraživanja Mjeseca i Marsa, izjavio je za ITAR-TASS prvi zamjenik šefa Rosaviakosmosa Nikolaj Moisejev. “Do kraja godine će se izraditi Federalni svemirski program do 2015. godine, koji bi mogao uključivati ove projekte”, rekao je on. Prema Moisejevu, „postoji mnogo inicijativa naučnika za organizovanje ekspedicija na Mesec i Mars, ali se još ne zna koja će od njih biti uključena u savezni program“.
Rusija može oživjeti lunarni program u roku od nekoliko godina, kaže Roald Kremnev, prvi zamjenik generalnog direktora Lavočkinovog istraživačko-proizvodnog udruženja.
„Nakon propasti sovjetskog programa istraživanja Zemljinog satelita krajem 70-ih godina prošlog veka, više od tri decenije podržavamo naučni i tehnički razvoj na ovu temu na savremenom nivou“, kaže Kremnjev. Prema njegovim riječima, u ovom trenutku u preduzeću u kojem je stvoren legendarni Lunohod, "postoji ozbiljan zaostatak lunarnih automata". Izrada i lansiranje takvog uređaja, prema Kremnevu, koštat će 600 miliona rubalja.
Izvori lunarne energije mogu spasiti Zemlju od globalne energetske krize, kaže akademik Erik Galimov, član Biroa Savjeta za svemir RAS. Tricijum koji se kopa na Mjesecu i isporučuje na Zemlju može se koristiti za termonuklearnu fuziju, tvrdi naučnik.
Izvor: NEWSru.com
Ruski naučnik predlaže korištenje buldožera za grabljenje čudesnog goriva sa Mjeseca
23. januara 2004
akademik Ruska akademija nauke, član Biroa Saveta za svemir Ruske akademije nauka Erik Galimov smatra da je neophodno odmah započeti pripreme za vađenje lunarnog goriva, prenosi ITAR-TASS. Ekstrakcija helijuma-3 na Mjesecu i njegovo uklanjanje odatle svemirski brodovi, po njegovom mišljenju, to će biti moguće početi za 30-40 godina.
„Da bi čitavo čovečanstvo obezbedilo energiju za godinu dana, potrebna su samo dva-tri leta svemirskih letelica nosivosti 10 tona, koje će isporučiti helijum-3 sa Meseca... Troškovi međuplanetarne isporuke biće na desetine puta manje od cijene struje koja se trenutno proizvodi u nuklearnim elektranama“, rekao je Galimov.
Prema proračunima naučnika, isporuka supstance mogla bi da počne za 30-40 godina, ali rad u ovoj oblasti treba da počne sada. Prema njegovim rečima, za razvoj projekta "trebaće samo 25-30 miliona dolara". Naučnik predlaže prikupljanje helijuma-3 sa površine Mjeseca posebnim buldožerima.
Izvor: Lenta.Ru
Prošle sedmice, u svom govoru o novom američkom svemirskom programu, predsjednik Bush je najavio da bi na Mjesecu trebalo uspostaviti stalnu bazu, što bi bio prvi korak ka daljem istraživanju svemira ljudi. Takođe je rekao da bi se lunarno tlo moglo preraditi za proizvodnju raketnog goriva i vazduha za disanje.
Bush je kao primjer naveo dva načina obrade mjesečevog tla, ali, generalno, lista lunarnih minerala je prilično duga... Silicijum koji se nalazi u lunarnom tlu može se koristiti za izradu solarnih panela, gvožđa - za razne metalne konstrukcije, aluminijuma, titanijum i magnezijum - za stvaranje broda koji će otići u svemir daleko od Zemlje.
I, naravno, na Mjesecu će iskopati izotop helijuma-3, koji je vrlo rijedak na Zemlji, a njegova proizvodnja u zemaljskim uslovima je veoma skupa.
(bazirano na SiliconValley.com)
U martu 2003. godine, rukovodstvo kineskog svemirskog programa službeno je objavilo početak rada na slanju istraživačke sonde na Mjesec. Nedavno je naučni direktor ovog projekta, akademik Kineske akademije nauka Ouyang Ziyuan, najavio da već u ovoj prvoj fazi istraživanja Mjeseca Kina očekuje da će dati veliki doprinos nauci i razvoju svemirske tehnologije. Dakle, kineski lunarni projekat obećava da će se brzo isplatiti.
Prva faza kineskog programa istraživanja Mjeseca će, između ostalog, izmjeriti debljinu mjesečevog tla, procijeniti starost površine i odrediti količinu helijuma-3 (veoma rijedak izotop helijuma na Zemlji koji se može koristiti kao gorivo za fuzijski reaktor) koje se nalazi tamo.
(na osnovu materijala iz SpaceDaily)
Zanimljive rasprave o svemirskim programima potrebnim za dobijanje rezervi helijuma-3 date u članku kandidata tehničkih nauka, dopisnog člana Akademije kosmonautike. K. E. Ciolkovsky Jurij Eskov „Za čisto gorivo - do uranijuma“, objavljeno u Rossiyskaya Gazeta, 11. aprila 2002. Autor piše da je čak efikasnije nego na Mesecu tražiti helijum-3 u atmosferama udaljenih džinovskih planeta, na primer Urana, gde je helijum-3 1:3000 (što je hiljadu puta više nego u lunarnom tlo). Prema autorovom prijedlogu, „Izvlačenje helijuma-3 i njegovo dopremanje na Zemlju trebalo bi da se vrši bespilotnim letjelicama za jednokratnu upotrebu („tankerima“), čiji elektronuklearni motor snage 100.000 kW radi kroz čitava dva- usputni let. Za 10 godina uređaj će preći teško zamislivu udaljenost od 6 milijardi km. Imajte na umu da motor sposoban da pređe tako gigantsku udaljenost u prihvatljivom vremenu (10 godina) može raditi samo na nuklearnu energiju, koristeći isto gorivo kao trenutne nuklearne elektrane (u principu možete letjeti na solarne baterije, ali tada uređaj će težiti stotine hiljada tona); Štaviše, navedeni motor je ekološki veoma „prljav“. Trik je, međutim, u tome što se lansira sa visoke Zemljine orbite i cijeli život provede u svemiru, tako da nema ekološki problemi ne stvara za svjetsku populaciju.
Sistem neprekidnog snabdijevanja zemaljskih nuklearnih elektrana ukupnog kapaciteta 3 milijarde kW sastojat će se od “tankera” koji se periodično (četiri puta godišnje) lansiraju iz niske orbite Zemlje. Opskrba gorivom uređaja dovoljna je samo za jedan način: doći će do cilja s praznim rezervoarima. Nakon što je odleteo do Urana i ušao u orbitu unutar atmosfere planete, "tanker" će početi da radi u pogonskom režimu kako bi podelio okolnu atmosferu na komponente: iz tečnog gasa će ispuštati komercijalni helijum-3 i vodonik, koji se koristi kao gorivo. za povratni let; većina vodonika i sav uobičajeni helijum će biti odbačeni. Tako se povratno punjenje gorivom (bez kojeg je zadatak povratka nemoguće) ispostavilo da je gotovo besplatno. Kao rezultat leta, 70 tona tečnog helijuma-3 biće isporučeno u nisku orbitu Zemlje; U svakom trenutku će na ruti Zemlja-Uran biti oko 40 "tankera".
Postavlja se prirodno pitanje: u kojoj mjeri postojeće tehnologije mogu osigurati funkcioniranje takvog sistema? Odgovor: većina ovih elemenata je, kako se kaže, „u hardveru“, ostali su na nivou visoko naprednog dizajna, djelimično doveden u eksperimentalnu fazu. glavni problem ovdje je elektrana na brodu. Do danas je akumulirano ogromno pozitivno iskustvo u stvaranju i radu reaktora kopnenih nuklearnih elektrana snage 4 miliona kW sa vijekom trajanja do 30 godina; snage reaktora nuklearnih podmornica dostižu 100.000 kW sa resursom od desetina godina, postoji i domaće iskustvo u stvaranju i radu jedinstvenih malih nuklearnih instalacija za svemirske letjelice snage do 100 kW; visokotemperaturni reaktori za svemirske nuklearne motore testirani su i u SAD-u i u SSSR-u. Što se tiče veličine lansiranog bespilotnog vozila (450 tona, uključujući 200 tona goriva), ona po redosledu odgovara masi ISS-a (a u konačnom projektu je planirano da masa ISS-a bude još veća) ; ukupan godišnji protok tereta u orbitu (1900 tona) manji je od planiranog za standardne programe (svemirske komunikacije, televizijsko emitovanje itd.). Ogromna većina elemenata takvog orbitalnog postrojenja helij-vodik već danas postoji i uspješno radi u kriogenskoj industriji.” Autor kaže da bi i uz današnji nivo tehnološkog razvoja takav projekat bio prilično ekonomski isplativ: „Prodajna cijena električne energije u svijetu se kreće od 5 do 10 centi po kW. h Iz jednostavne aritmetike je jasno da će isporuka helijuma-3 sa Urana ostati isplativa čak i po cijeni od 1 tone od 10 milijardi dolara. Cijena izvođenja jedne takve elektrane u orbitu je 10 miliona dolara po toni (inače, ovo je trenutna cijena zlata), a u bliskoj budućnosti rakete za višekratnu upotrebu će ovu cijenu smanjiti na milion dolara po toni lansiranog tereta. ”
Postalo je uobičajeno reći da su industrije koje intenzivno koriste znanje (nuklearna, svemirska, itd.) lokomotiva ekonomije. Slučaj sa helijumom-3 je isti slučaj. Ova metoda, koja će rješavati energetski problem na dovoljno dugo vrijeme, ako bude moguće pronaći sredstva za njegovu implementaciju, može postati šansa za napredak u ruskim naučno intenzivnim industrijama: kako kosmonautici (što je tema za posebnu raspravu). ) i termonuklearne tehnologije.
Trenutno postoje dva glavna pravca termonuklearne fuzije: tokamaks i laserska fuzija. Prva od ovih opcija trenutno se implementira u projektu međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora ITER. Ovaj reaktor je projektovan prema "tokamak" dizajnu (što je skraćenica od izraza "TORIDALNA KOMORA SA MAGNETNIM KOLUMAMA"). Princip rada tokamaka je sljedeći: električna struja se stvara u plazma ugrušku, a istovremeno, kao i svaka struja, razvija svoje magnetsko polje - plazma ugrušak, takoreći, postaje sam magnet. A onda je pomoću vanjskog magnetskog polja određene konfiguracije oblak plazme suspendiran u središtu komore, ne dopuštajući mu da dođe u kontakt sa zidovima. U plinu uvijek postoje slobodni joni i elektroni, koji se u komori počinju kretati u krug. Ova struja zagrijava plin, povećava se broj joniziranih atoma, a istovremeno se povećava jačina struje i raste temperatura plazme. To znači da se povećava broj jezgri vodika koja su se spojila u jezgro helija i oslobodila energiju. Međutim, eksperimenti započeti prije gotovo pedeset godina na Moskovskom institutu za atomsku energiju pokazali su da se plazma suspendirana u magnetskom polju pokazala nestabilnom - plazma se vrlo brzo "raspao" i ispao na zidove komore. Pokazalo se da kombinacija niza složenih fizičkih procesa dovodi do nestabilnosti. Osim toga, pokazalo se da se vrijeme stabilnog zadržavanja plazme povećava s povećanjem veličine instalacije. Najveća domaća mašina, TOKAMAK-15, već ima toroidalnu vakuumsku komoru sa spoljnim prečnikom „krofne“ većim od pet metara. Veliki istraživački tokamaci izgrađeni su u Rusiji, Japanu, SAD-u, Francuskoj i Engleskoj. A prije nekoliko godina stručnjaci su došli do zaključka da preostale neriješene probleme treba istražiti u objektu što je bliže mogućem termonuklearnom reaktoru realne snage. Ovo razumijevanje dovelo je do stvaranja ITER-a. Ova opcija za provođenje kontrolirane termonuklearne reakcije razlikuje se od svih ostalih instalacija i metoda prvenstveno po tome što je već uvelike izašla iz domena sumnji i traganja. Zahvaljujući opsežnoj bazi podataka fizičkih i inženjerskih podataka prikupljenih tokom pedeset godina istraživanja, približio se fazi eksperimentalnog reaktora. To je, očigledno, inspirisalo međunarodnu zajednicu da stvori ITER - naučnici su to čak i odlučili bogata zemlja nema smisla praviti sam termonuklearni reaktor - rezultat će biti znanje i iskustvo koji će i dalje postati zajedničko vlasništvo u nacionalne ekonomije Neće odmah ništa doprinijeti. Istovremeno, udruživanjem snaga, možete dramatično ubrzati napredak ka vlastitom funkcionalnom termonuklearnom reaktoru i smanjiti svoje troškove. Stoga je 1992. godine potpisan sporazum o zajedničkom tehničkom projektu reaktora ITER pod pokroviteljstvom IAEA. A njegovo idejno rešenje, na inicijativu naše zemlje, počelo je četiri godine ranije. Dizajnerski tim ITER-a uključivao je stručnjake iz Evropske unije, Rusije, SAD-a i Japana.
Drugi pravac na putu do kontrolisane termonuklearne reakcije je laserska termonuklearna fuzija (LTF). Sastoji se u tome što se laserskim zrakama sa svih strana ozrači meta „sirovina“ za termonuklearnu reakciju i na taj način se stvaraju uslovi dovoljni za sprovođenje termonuklearne reakcije. Teškoća je kako to tehnički implementirati. Moj rad na disertaciji se sastoji od izvođenja kompjuterskog modeliranja fenomena optičke rezonancije u sfernim ciljevima pod laserskim zračenjem. Proračuni pokazuju da pod određenim uvjetima u optičkoj meti dolazi do koncentracije energije, pod kojom mogu nastati uvjeti neophodni za termonuklearnu reakciju.
Država koja prije drugih ovlada tehnologijom termonuklearne fuzije dobit će ogromne prednosti u odnosu na druge. Da Rusija ne bi ostala na margini civilizacije i da bi učestvovala u razvoju ovih projekata, potrebna je politička volja državnog vrha, kao što je to bilo sa sovjetskim nuklearnim i svemirskim projektima sredinom dvadesetog veka. .
Helijum 3 - energija budućnosti
Svi znamo da naše ulje nije beskonačno, a istraživanja su dokazala i njegovo organsko porijeklo – to znači da je nafta neobnovljiv resurs. Ulje je zapaljiva uljasta tečnost, koja je mješavina ugljovodonika, crveno-smeđe, ponekad gotovo crne boje, iako se ponekad nalazi blago žuto-zeleno, pa čak i bezbojno ulje, specifičnog je mirisa i rasprostranjeno je u sedimentnoj ljusci zemlja; jedan od najvažnijih minerala. Ulje je mješavina od oko 1000 pojedinačnih supstanci, od kojih su većina tečni ugljovodonici. Nafta zauzima vodeće mjesto u globalnom bilansu goriva i energije: njen udio u ukupnoj potrošnji energije je 48 Zbog toga je nafta, kao izvor energije, toliko važna za čovječanstvo.
Trenutno su glavni izvori energije: termoelektrane, termoelektrane i nuklearne elektrane.
Na grafikonu se jasno vidi da vodeću poziciju mogu imati samo termoelektrane koje kao gorivo koriste neobnovljive resurse kao što su nafta (sve vrste goriva dobijene iz nafte), ugalj i plin.
Hidroelektrane čine samo 20%, pa čak i ako svijet počne da se koristi maksimalni iznos rijeka pod hidroelektranama, ukupna energija koju oslobađaju sve hidroelektrane neće moći zadovoljiti potrebe čovječanstva.
Nuklearne elektrane čine samo 17% globalne proizvodnje energije;
Danas se plin, ugalj, treset i energija atomske fisije (nuklearna energija) aktivno koriste kao alternativne sirovine, ali mi savršeno razumijemo da oni nisu u stanju potpuno zamijeniti naftu kao sirovinu za proizvodnju energije. A rezerve istog prirodnog gasa nisu beskrajne, koristeći ove alternativne sirovine, samo ćemo odgoditi energetsku krizu.
Naučnici su itekako svjesni problema koji im se približava, te stvaraju i proučavaju alternativne izvore energije. Trenutno naučnici rade na projektima koji uključuju upotrebu:
Biogas
Biodizel gorivo
Bioetanol
Energija vjetra
Energija vodonika
Geotermalna energija
Solarne ćelije
Nuklearna energija
Termonuklearna energija (bazirana na upotrebi helijuma 3)
Glavni dio
Dakle, pogledajmo svaku alternativu posebno.
2.1.Biogas
Biometan je plin dobiven fermentacijom organskog otpada (biogas). Najprikladnije područje za korištenje bioplina je grijanje stočnih farmi, stambenih i tehnoloških prostora. Biogas se može koristiti i kao motorno gorivo. Dobiveni višak goriva može se pretvoriti u električnu energiju pomoću dizel generatora.
Biometan ima nisku volumetrijsku koncentraciju energije. U normalnim uslovima, kalorijska vrednost je 1 litar. biometan je 33 - 36 kJ.
Biometan ima visoku otpornost na detonaciju, što omogućava smanjenje koncentracije štetnih materija u izduvnim gasovima i smanjenje količine naslaga u motoru.
Biometan kao motorno gorivo treba koristiti u transportnim motorima bilo u komprimiranom ili ukapljenom stanju. Međutim, glavni ograničavajući faktor za široku upotrebu komprimovanog biometana kao motornog goriva, kao iu slučaju komprimovanog prirodnog gasa, je transport značajne mase cilindara za gorivo.
U inostranstvu se velika pažnja poklanja problemu dobijanja i korišćenja biogasa. U kratkom vremenskom periodu nastala je čitava industrija za proizvodnju bioplina u mnogim zemljama svijeta: ako je 1980. godine u svijetu bilo oko 8 miliona instalacija za proizvodnju bioplina ukupnog kapaciteta 1,7-2 milijarde kubnih metara. m godišnje, tada ovi pokazatelji trenutno odgovaraju produktivnosti biogasa samo jedne zemlje - Kine.
Prednosti bioplina uključuju:
Proizvodnja energije bez dodatnih emisija CO 2 .
Zatvoreni sistemi ne propuštaju ili samo neznatno propuštaju mirise.
Poboljšanje trgovinske situacije i smanjenje zavisnosti od uvoznika energije.
Električna energija se može proizvesti iz bioplina 24 sata dnevno.
Nema ovisnosti o vjetru/vodi/struji.
Poboljšanje đubrenja tla.
2.2 Biodizel
Biodizel je gorivo na bazi biljnih ili životinjskih masti (ulja), kao i njihovih proizvoda esterifikacije. Koristi se u vozilima u obliku raznih mješavina sa dizel gorivom.
Ekološki aspekti primjene:
Biodizel, kao što su eksperimenti pokazali, ne šteti biljkama i životinjama kada se pusti u vodu. Osim toga, podvrgava se gotovo potpunoj biološkoj razgradnji: u zemljištu ili vodi, mikroorganizmi prerađuju 99% biodizela za 28 dana, što sugerira da se zagađenje rijeka i jezera minimizira.
Prednosti biodizela uključuju:
povećanje cetanskog broja i mazivosti, što produžava vijek trajanja motora;
značajno smanjenje štetnih emisija (uključujući CO, CO2, SO2, fine čestice i isparljiva organska jedinjenja);
olakšava čišćenje injektora, pumpi za gorivo i kanala za dovod goriva.
Nedostaci
U hladnoj sezoni potrebno je zagrijati gorivo koje dolazi iz rezervoara goriva do pumpe za gorivo ili koristiti mješavinu 20% BIODIZELA i 80% dizel goriva.
2.3.Bioetanol
Bioetanol je tečno alkoholno gorivo čije su pare teže od vazduha. Proizvodi se od poljoprivrednih proizvoda koji sadrže škrob ili šećer, kao što su kukuruz, žitarice ili šećerna trska. Za razliku od alkohola od kojeg se prave alkoholna pića, etanol za gorivo ne sadrži vodu i proizvodi se skraćenom destilacijom (dvije destilacijske kolone umjesto pet) te stoga sadrži metanol i fuzelna ulja, kao i benzin, što ga čini nepitkom.
Bioetanol za gorivo se proizvodi na gotovo isti način kao i konvencionalni alkohol za hranu za proizvodnju alkoholna pića, ali postoji nekoliko značajnih razlika.
Etanol se može proizvoditi od bilo koje sirovine koje sadrži šećer i škrob: šećerne trske i repe, krompira, jerusalimske artičoke, kukuruza, pšenice, ječma, raži itd.
Prednosti bioetanola uključuju:
Etanol ima visok oktanski broj
Bioetanol je razgradiv i ne zagađuje prirodno
sistemi vode
10% etanola u benzinu smanjuje toksičnost izduvnih gasova
smanjiti emisiju CO za 26%, emisiju dušikovih oksida
za 5%, čestice aerosola za 40%.
Etanol je jedini obnovljiv
tečno gorivo, čija je upotreba
kao aditiv benzinu ne zahteva modifikaciju
dizajni motora
Nema posebno izraženih nedostataka.
2.4. Snaga vjetra
Energija vjetra je neregulisani izvor energije. Učinak vjetroelektrane ovisi o jačini vjetra, vrlo varijabilnom faktoru. Shodno tome, izlaz električne energije iz vjetrogeneratora u elektroenergetski sistem je veoma neravnomjeran i na dnevnoj, sedmičnoj, mjesečnoj, godišnjoj i dugoročnoj osnovi. S obzirom da sam energetski sistem ima nehomogenosti u energetskom opterećenju (vršne i padove potrošnje energije), koje energija vjetra, naravno, ne može regulisati, uvođenje značajnog udjela energije vjetra u energetski sistem doprinosi njegovoj destabilizaciji. Jasno je da energija vjetra zahtijeva rezervu snage u energetskom sistemu (na primjer, u obliku elektrana na plinske turbine), kao i mehanizme za izglađivanje heterogenosti njihove proizvodnje (u obliku hidroelektrana ili pumpnih elektrana). akumulacione elektrane). Ova karakteristika energije vjetra značajno povećava cijenu električne energije dobivene od njih. Energetski sistemi nisu bili voljni da povežu vetroturbine na mrežu, što je dovelo do toga da zakon to od njih zahteva.
Male turbine s jednim vjetrom mogu imati problema sa mrežnom infrastrukturom jer troškovi dalekovoda i razvodnog uređaja za povezivanje na mrežu mogu biti previsoki.
Velike vjetroturbine imaju značajne probleme popravke, jer je zamjena velikog dijela (lopatica, rotor, itd.) na visini većoj od 100 m složen i skup poduhvat.
Prednosti:
Ekološki prihvatljivo.
Sigurno za ljude (bez zračenja, otpada).
Glavni nedostaci:
Niska gustoća energije po jedinici površine vjetrobranskog točka; nepredvidive promjene u brzini vjetra tokom dana i sezone, koje zahtijevaju podršku vjetro-stanice ili akumulaciju proizvedene energije; loš uticaj o staništima ljudi i životinja, o televizijskim komunikacijama i putevima sezonskih migracija ptica.
2.5. Energija vodonika
Energija vodika je pravac proizvodnje i potrošnje energije čovječanstva, zasnovan na korištenju vodonika kao sredstva za akumulaciju, transport i potrošnju energije ljudi, transportne infrastrukture i raznih proizvodnih područja. Vodik je izabran kao najčešći element na površini zemlje iu svemiru, toplota sagorevanja vodika je najveća, a produkt sagorevanja u kiseoniku je voda (koja se ponovo uvodi u ciklus energije vodika). Postoji nekoliko načina za proizvodnju vodonika:
Od prirodnog gasa
Gasifikacija uglja:
Elektroliza vode (*obrnuta reakcija)
Vodonik iz biomase
Prednosti:
ekološka prihvatljivost vodikovog goriva.
obnovljivost.
izuzetno visoka efikasnost - 75%, što je skoro 2,5 puta više od najmodernijih instalacija koje rade na naftu i gas.
Vodonik ima i ozbiljnije nedostatke. Prvo, ne postoji u prirodi u slobodnom gasovitom stanju, odnosno mora se ekstrahovati. Drugo, vodonik je, kao gas, prilično opasan. Njegova mješavina sa zrakom prvo nevidljivo „gori“, odnosno oslobađa toplinu, a zatim lako detonira od najmanje iskre. Klasičan primjer eksplozije vodika je nesreća u Černobilu, kada je kao rezultat pregrijavanja cirkonija i kontakta s vodom nastao vodonik, koji je potom detonirao. Treće, vodonik treba skladištiti negdje, i to u velikim posudama, jer ima malu gustinu. I može se komprimirati samo pod vrlo visokim pritiskom, otprilike 300 atmosfera.
2.6. Geotermalna energija
Vulkanske erupcije jasno pokazuju ogromnu toplinu unutar planete. Naučnici procjenjuju da je temperatura Zemljinog jezgra na hiljade stepeni Celzijusa. Ova temperatura postepeno opada od vrućeg unutrašnjeg jezgra, gdje naučnici vjeruju da metali i stijene mogu postojati samo u rastopljenom stanju, do površine Zemlje. Geotermalna energija može koristiti na dva glavna načina - za proizvodnju električne energije i za grijanje domova, ustanova i industrijska preduzeća. Za koje će od ovih svrha biti korišten ovisi o obliku u kojem dolazi u naš posjed. Ponekad voda izbija iz zemlje u obliku čiste „suhe pare“, tj. para bez ikakvih primesa kapljica vode. Ova suha para može se direktno koristiti za okretanje turbine i proizvodnju električne energije. Kondenzaciona voda se može vratiti u zemlju i ako je ima dovoljno dobra kvaliteta- bacite ga u obližnju vodu.
Pretvorba toplinske energije oceana.
Ideja o korištenju temperaturne razlike oceanskih voda za proizvodnju električne energije nastala je prije oko 100 godina, tačnije 1981. godine. Francuski fizičar Jacques D. Arsonval objavio je rad o solarnoj energiji mora. U to vrijeme se već mnogo znalo o sposobnosti oceana da prima i akumulira toplinsku energiju. Poznati su i mehanizam nastanka oceanskih struja i osnovni obrasci formiranja temperaturnih razlika između površinskih i dubokih slojeva vode.
Korištenje temperaturnih razlika moguće je u tri glavna smjera: direktna konverzija zasnovana na termoelementima, pretvaranje toplote u mehaničku energiju u toplotnim mašinama i pretvaranje u mehaničku energiju u hidrauličkim mašinama pomoću razlike u gustinama tople i hladne vode.
Prednosti:
ne zahtijevaju gotovo nikakvo održavanje.
Jedna od prednosti geotermalne elektrane je ta što, u poređenju sa elektranom na fosilna goriva, emituje približno dvadeset puta manje ugljičnog dioksida kada proizvodi istu količinu električne energije, smanjujući svoj utjecaj na globalnu okolinu.
Glavna prednost geotermalna energija je njegova praktična neiscrpnost i potpuna nezavisnost od uslova sredine, doba dana i godine.
Koji problemi nastaju prilikom korištenja podzemnih termalnih voda? Glavna je potreba da se otpadne vode ponovo ubrizgavaju u podzemni vodonosnik. Termalne vode sadrže veliki broj soli raznih toksičnih metala (na primjer, bor, olovo, cink, kadmijum, arsen) i hemijska jedinjenja (amonijak, fenoli), čime se eliminiše ispuštanje ovih voda u prirodne vodene sisteme koji se nalaze na površini.
2.7. Solarne ćelije
Principi rada solarnih ćelija:
Solarno Ćelije (SC) su napravljene od materijala koji direktno pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju. Većina trenutno komercijalno proizvedenih solarnih ćelija napravljena je od silicija.
IN poslednjih godina Razvijene su nove vrste materijala za solarne ćelije. Na primjer, tankoslojne solarne ćelije napravljene od bakar-indijum diselenida i CdTe (kadmijum telurid). Ovi SC-ovi su također nedavno bili komercijalno korišteni.
Prednosti:
Energija sunca je skoro beskonačna
Ekološki prihvatljivo
Sigurno za ljude i prirodu
Nedostaci: Solarna elektrana ne radi noću i ne radi dovoljno efikasno u jutarnjim i večernjim sumracima. Istovremeno, vrhunac potrošnje energije se javlja upravo u večernjim satima. Osim toga, snaga elektrane može naglo i neočekivano fluktuirati zbog promjene vremena. Zbog relativno male vrijednosti solarne konstante, solarna energija zahtijeva korištenje velikih površina za elektrane (na primjer, za elektranu od 1 GW to bi moglo biti nekoliko desetina kvadratnih kilometara). Unatoč ekološkoj prihvatljivosti proizvedene energije, same solarne ćelije sadrže otrovne tvari, na primjer, olovo, kadmij, galijum, arsen itd., a njihova proizvodnja troši puno drugih opasnih tvari. Moderne solarne ćelije imaju ograničen vijek trajanja (30-50 godina), a masovna upotreba će u bliskoj budućnosti pokrenuti teško pitanje njihovog odlaganja, koje također još uvijek nema prihvatljivo rješenje sa ekološke tačke gledišta.
2.8. Nuklearna energija
Nuklearne energije ( atomska energija), unutrašnja energija atomskih jezgri oslobođenih tokom nuklearnih transformacija (nuklearne reakcije). Korištenje nuklearne energije zasniva se na realizaciji lančanih reakcija fisije teških jezgara i reakcija termonuklearne fuzije - fuzije lakih jezgara; Obe reakcije su praćene oslobađanjem energije, na primer, prilikom fisije jednog jezgra, oslobađa se oko 200 MeV. Uz potpunu fisiju jezgri sadržanih u 1 g uranijuma, oslobođena energija je 2,3 * 104 kWh. Ovo je ekvivalentno energiji dobijenoj sagorevanjem 3 tone uglja ili 2,5 tone nafte. U nuklearnim reaktorima koristi se kontrolirana reakcija nuklearne fisije.
Prednosti:
niske i stabilne (u odnosu na cijenu goriva) cijene električne energije;
prosječan uticaj na ekološku sredinu.
Nedostaci nuklearnih elektrana:
Ozračeno gorivo je opasno i zahtijeva složene i skupe mjere obrade i skladištenja;
Način rada promjenjive snage je nepoželjan za reaktore koji rade na termalnim neutronima;
Ako je vjerovatnoća incidenata mala, njihove posljedice su izuzetno teške
Velika kapitalna ulaganja, kako specifična, po 1 MW instalirane snage za blokove snage manje od 700-800 MW, tako i opšta, neophodna za izgradnju stanice, njene infrastrukture, kao i u slučaju eventualne likvidacije.
Sve gore navedene alternative nafti imaju jednu, ali vrlo značajnu manu: NISU u mogućnosti POTPUNO zamijeniti naftu kao izvor energije. Samo korištenje termonuklearne energije može pomoći u ovoj situaciji.
2.9.Termonuklearna energija
Termonuklearna energija uz učešće helijuma 3 je sigurna i visokokvalitetna energija.
Termonuklearne reakcije. Oslobađanje energije kada se jezgra lakih atoma deuterijuma, tricijuma ili litijuma stapaju u helijum javlja se tokom termonuklearnih reakcija. Ove reakcije se nazivaju termonuklearnim jer se mogu dogoditi samo pod vrlo visoke temperature. Inače, sile električnog odbijanja ne dozvoljavaju jezgrima da se približe dovoljno da bi nuklearne privlačne sile počele djelovati. Reakcije nuklearne fuzije izvor su energije zvijezda. Iste reakcije se javljaju prilikom eksplozije hidrogenske bombe. Implementacija kontrolirane termonuklearne fuzije na Zemlji obećava čovječanstvu novi, praktično neiscrpan izvor energije. Reakcija koja najviše obećava u tom pogledu je fuzija deuterija i tricijuma.
Ako koristite deuterijum sa izotopom helija-3 u termonuklearnom reaktoru umesto materijala koji se koriste u nuklearnoj energiji. Intenzitet neutronskog fluksa pada 30 puta - prema tome, moguće je lako osigurati radni vijek reaktora od 30-40 godina (prema tome smanjuje se količina emitiranog zračenja). Nakon prestanka rada helijumskog reaktora neće se stvarati visokoaktivni otpad, a radioaktivnost konstrukcijskih elemenata bit će toliko niska da se mogu doslovno zatrpati na gradskoj deponiji, lagano posuti zemljom.
U čemu je problem? Zašto još uvijek ne koristimo tako korisno termonuklearno gorivo?
Prije svega zato što je ovaj izotop izuzetno rijedak na našoj planeti. Rođen je na Suncu, zbog čega se ponekad naziva "solarnim izotopom". Njegova ukupna masa tamo premašuje težinu naše planete. Helijum-3 se prenosi u okolni prostor solarnim vetrom. Zemljino magnetsko polje odbija značajan dio ovog vjetra, pa stoga helijum-3 čini samo trilionti dio Zemljine atmosfere - oko 4000 tona Na samoj Zemlji je još manje - oko 500 kg.
Na Mjesecu ima mnogo više ovog izotopa. Tamo je ugrađen u lunarno tlo "regolit", čiji sastav podsjeća na običnu šljaku. Radi se o o ogromnim - gotovo neiscrpnim rezervama!
Analiza šest uzoraka tla koje su donijele ekspedicije Apollo i dva uzorka koje su dostavile sovjetske automatske stanice Luna pokazala je da regolit koji pokriva sva mora i visoravni Mjeseca sadrži do 106 tona helijuma-3, što bi zadovoljilo potrebe zemaljske energije, čak nekoliko puta povećane u odnosu na modernu, za milenijum! Prema savremenim procjenama, rezerve helijuma-3 na Mjesecu su tri reda veličine veće - 109 tona.
Osim Meseca, helijum-3 se može naći u gustim atmosferama planeta gigantskih, a prema teorijskim procenama, njegove rezerve samo na Jupiteru iznose 1020 tona, što bi bilo dovoljno da napaja Zemljinu energiju do kraj vremena.
Projekti rudarstva helijuma-3
Regolit prekriva Mjesec slojem debljine nekoliko metara. Regolit lunarnih mora bogatiji je helijumom od regolita visoravni. 1 kg helijuma-3 nalazi se u približno 100.000 tona regolita.
Posljedično, da bi se izdvojio dragocjeni izotop, potrebno je obraditi ogromnu količinu mrvičastog mjesečevog tla.
Uzimajući u obzir sve karakteristike, tehnologija proizvodnje helija-3 trebala bi uključivati sljedeće procese:
1. Ekstrakcija regolita.
Specijalni „kombateri” će sakupljati regolit sa površinskog sloja debljine oko 2 m i dostavljati ga do preradnih mesta ili direktno obrađivati tokom procesa rudarenja.
2. Oslobađanje helijuma iz regolita.
Kada se regolit zagrije na 600°C, oslobađa se 75% helijuma koji se nalazi u regolitu (desorbira se kada se zagrije na 800°C, oslobađa se gotovo sav helijum); Predlaže se zagrijavanje prašine u posebnim pećima, fokusirajući sunčevu svjetlost ili plastičnim sočivima ili ogledalima.
3. Isporuka na Zemlju svemirskim brodom za višekratnu upotrebu.
Kada se kopa helijum-3, iz regolita se izvlače i brojne supstance: vodonik, voda, dušik, ugljični dioksid, dušik, metan, ugljični monoksid, koji mogu biti korisni za održavanje lunarnog industrijskog kompleksa.
Projekat prvog lunarnog kombajna, dizajniranog za obradu regolita i izdvajanje izotopa helijuma-3 iz njega, predložila je grupa J. Kulczynskog. Privatne američke kompanije trenutno razvijaju nekoliko prototipova, koji će, po svemu sudeći, biti predati konkurenciji nakon što NASA odluči o karakteristikama buduće ekspedicije na Mjesec.
Jasno je da će, osim isporuke kombajna na Mjesec, tamo morati da se grade skladišta, baza s posadom (za servisiranje cijelog kompleksa opreme), kosmodrom i još mnogo toga. Vjeruje se, međutim, da će se visoki troškovi stvaranja razvijene infrastrukture na Mjesecu dobro isplatiti u smislu nadolazeće globalne energetske krize, kada će se morati napustiti tradicionalni izvori energije (ugalj, nafta, prirodni plin). .
Ako uzmemo u obzir da će nafta nestati za 35-40 godina, onda imamo dovoljno vremena za realizaciju takvog projekta. A zemlja koja to može implementirati će biti lider u budućnosti, a ako udružimo napore, možemo postići veće rezultate u bržem roku.
Dakle, zašto energija fuzije? Jer:
Veliki izvor energije sa gorivom u izobilju i dostupan svuda.
Veoma nizak globalni uticaj na životnu sredinu – nema emisije CO2.
- Za “svakodnevni rad” elektrane nije potreban transport radioaktivnih materijala.
Elektrana je bezbedna, bez mogućnosti „otapanja“ ili „neizlazne reakcije“.
Nema radioaktivnog otpada, koji ne stvara problem budućim generacijama.
Isplativo je: za proizvodnju 1 GW energije potrebno je otprilike 100 kg deuterijuma i 3 tone prirodnog litijuma koji se koriste za cijelu godinu, proizvodeći približno 7 milijardi kWh
3. Zaključak
Dakle, energija je važan resurs neophodan za udobno postojanje čovječanstva. A proizvodnja energije je jedan od glavnih problema čovječanstva. Nafta se danas aktivno koristi kao izvor električne energije i energije za gorivo, ali nije beskonačna, a njene rezerve se svake godine samo smanjuju. A trenutno razvijene alternative ne zamjenjuju u potpunosti naftu niti imaju ozbiljne nedostatke.
Danas je jedini izvor energije koji može obezbijediti potrebnu količinu energije za cijelo čovječanstvo i bez ozbiljnih nedostataka je termonuklearna energija zasnovana na upotrebi helijuma 3. Tehnologija dobijanja energije iz ove reakcije je radno intenzivna i zahtijeva velike ulaganja, ali energija dobijena na ovaj način je ekološki prihvatljiva i izračunata je u milijardama kilovata.
Ako dobijete jeftinu i ekološki prihvatljivu energiju, možete što je moguće više zamijeniti naftu, na primjer, napustiti benzinske motore u korist električnih, proizvoditi toplinu koristeći električnu energiju itd. Dakle, nafta, kao sirovinski resurs za hemijsku proizvodnju, biće dovoljno za čovečanstvo za mnogo vekova.
Stoga je potrebno stvoriti industriju na Mjesecu (koji je glavni izvor helijuma 3). Da biste stvorili industriju, morate imati plan razvoja, a to je pitanje nekoliko godina i što prije počnete, to bolje. Jer ako to morate učiniti u bezizlaznoj situaciji (za vrijeme energetske krize, na primjer), hitno, to će rezultirati potpuno drugačijim troškovima.
A zemlja koja se brže razvija u tom pravcu postaće lider u budućnosti. Jer energija je budućnost.
4. Spisak korišćene literature
1. http://ru.wikipedia.org/ - svjetska enciklopedija
2. http://www.zlev.ru/61_59.htm - Magazin "Zlatni lav" br. 61-62 - publikacija ruske konzervativne misli, Kada će nestati nafte?
3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html -POGLED / Kad ponestane ulja
4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - POGLED / Svijetu ponestaje nafte
5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html ->Alternativa ulju?. Fakultet za molekularnu i biološku fiziku, MIPT. "Phystech-Portal", "Phystech-centar"
6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - NUKLEARNA ENERGIJA - Internet enciklopedija, rečnik objašnjenja.
7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 -Odakle dolazi struja (istorija pojave)
8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm -Energija biomase. UNDP/GEF projekat BYE/03/G31 u Bjelorusiji
9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Prednosti i nedostaci energije vjetra. Principi konverzije energije vjetra. Snaga vjetra
10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ - Energija vodika. Energija i energetika.
11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Primarni izvori energije i termonuklearna energija
12. http://tw.org.ua/board/index.php?showtopic=162 -Termonuklearna energija
13. http://www.helium3.ru/main.php?video=yes - Helium-3, Helium-3
14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - HELIJ-TRI - BUDUĆA ENERGIJA - lunarni program - Katalog artikala - Razvoj
15. http://www.fp7-bio.ru/presentations/fisheries/bioetanol.pdf/at_download/file - energija budućnosti
16. http://www.scienmet.net/ - Vjetrogenerator, energija vjetra
17. http://oil-resources.info - izvori goriva
18.http://ru.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_energy.
19.http://www.ruscourier.ru/archive/2593 - nedostaci vodonika
20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html - Energija iz dubina - www.intersolar.ru
21.http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/ru/feature/feature09.html - NIPPONIA br.28 15. marta 2004.
22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc - alternativni izvori energije
23. http://www.rosnpp.org.ru/aes_preimush.shtml - nuklearne elektrane
24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ - nuklearna energija
25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm - termonuklearna energija u akciji
26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 - Poslovni KM.RU. Budućnost ruske energetike leži u biogorivima i termonuklearnoj energiji
Sadrži dva protona i dva neutrona.
Enciklopedijski YouTube
1 / 5
✪ Helijum je SUPERFLUIDAN I NAJHLADNIJI ELEMENT!
✪ Superfluidni helijum. Univerzitet u Stuttgartu
✪ Izgledi za termonuklearnu energiju (kaže fizičar Anton Tyulusov)
✪ Operacija "Helijum"
✪ Operacija "Helijum". Epizoda 3
Titlovi
Želim da vam preporučim Andrejin kanal na on pravi video kurs organske hemije za 10. razred, sada je na njegovom kanalu dostupno više od 40 videa na 12 tema, pretplatite se na Andrejev kanal da objavljujete i igrate za 100 poena i tako danas će vam reći o najčešćem plemenitom gasu u vidljivom univerzumu, koji takođe može da dobije jedinstvena superfluidna svojstva na ekstremno niskim temperaturama, upoznajte helijum u periodnom sistemu, ovaj element se nalazi u gornjem desnom uglu, vrlo ga je lako pronaći na broj 2, mislim da su ljudi danas upoznati sa ovim inertnim gasom od detinjstva zbog njegove lakoce u odnosu na vazduh, helijum je odlican za naduvavanje praznicnih balona koje deca toliko vole, to je sve zbog cinjenice da je molarna masa helijuma je oko sedam puta manje molarne mase zrak, ali i dalje, u smislu rasprostranjenosti, gelovi na zemlji su izuzetno rijetki u zraku, samo jedan dio na milion za iste kuglice je prirodni plin u kojem može biti koncentracija helija; dosežu do sedam posto mase, a sve zbog radioaktivnog raspada uranijuma ili torija u zemljine kore helijum se može akumulirati u podzemnim prazninama sa prirodnim gasom i ne ispariti u atmosferu, međutim, ako ga uzmemo u većim razmerama, onda u čitavom vidljivom univerzumu, ili će zauzeti počasno drugo mesto u izobilju među svim elementima, samo drugo; do vodonika i formiranja otprilike četvrtine svih atoma, samo zamislite da svi atomi teži od gela formiraju samo dva posto mase cjelokupne mase materije, ovdje možete osjetiti koliko smo mali na skali svemira; glavni dio se zapravo nalazi u zvijezdama ili u atmosferi plinovitih divova, koji, kao i cijeli svemir, sadrže oko 20 posto mase materije prema današnjim podacima, glavni dio gela koji se nalazi u svemiru nastao je tokom velikog praska prije otprilike 14 milijardi godina, vratimo se sada s neba na zemlju i razmotrimo svojstva ovog plina u opipljivijem eksperimentu. Imam malu ampulu helijuma koja je pod vrlo niskim pritiskom od otprilike jedne stote atmosferskog, to je jasno da gel nema boju, još uvek nema ni ukusa ni mirisa, ako ste ikada pokušali da udišete ovaj gas; potreban kisik za ovo je čak natjerao sadašnje prodavače gel cilindara za kuglice da im dodaju i do 20 posto kisika koje ste objesili na zabavama postalo je sigurnije ako provučete visokofrekventni visokonaponski pražnjenje kroz oculus gela, počeće da svetli prigušeno narandžasto, čija će jačina zavisiti od napona i od prečnika ampule. Koristio sam DPL generator kao izvor napona, znao sam i to mi je dalo priliku da ampulu držim direktno u svom ruke i zbog prisustva električnog kapaciteta u mom tijelu, u principu, kao i bilo ko drugi, za razliku od njega na ili ksenon, helijum svijetli već na udaljenosti od žice generatora tako da ima manju energiju jonizacije, nažalost, od kemikalije sa stanovišta, uopšte ne blista sa zanimljivim svojstvima; ne reaguje praktično ni sa jednom supstancom, iako je u obliku plazme sličan onome što vidite u gelovima, može formirati izuzetno nestabilno jedinjenje sa vodonikom , deuterijum, ili neki metali i pri visokom pritisku koji hiljade atmosfera čak formiraju posebne supstance i helijev azot, koji se u obliku kristala može uzgajati na dijamantskim podlogama, šteta što su sve te supstance vrlo nestabilne i one su gotovo nemoguće vidjeti u normalnim uvjetima, ali ne treba se uznemiravati jer gel ima najzanimljivija i jedinstvena fizička svojstva od svih plinova, činjenica je da kada se ohladi na temperaturu od 42 Kelvina, zapravo postaje najlakši i najhladnija tečnost čija je gustina skoro 10 puta manja od gustine vode u stepenima Celzijusa, tečni helijum se dobija na sumanutim minus dvesta šezdeset i osam stepeni, koji je veoma hladan, toliko hladan da neki metali na ovoj temperaturi postaju supravodnici, kao što su; kao živa ili niobijum, da bi se održala tako niska temperatura, tečni helijum se nalazi u dvostrukoj Dewar posudi, koja se takođe hladi izvana tečni azot Ista tehnologija za hlađenje tečnog helijuma se koristi u savremenim uređajima za stvaranje nuklearne magnetne rezonancije u njima, superprovodnici, spoj niobijuma, hlade se tečnim helijumom, koji se zbog svoje visoke cene hladi jeftinijim tečnim azotom; tako da tečni gel služi i za medicinu kao i za naučna istraživanja, ali ono najzanimljivije tek predstoji snižavanjem pritiska u posudi, tečni helijum će na kraju preći u takozvanu Lindu. Naime, ohladiće se ispod temperature od pola sedamnaest stotinki Kelvina i postati drugi oblik tečnog helijuma nakon što ovo ključanje tečnosti trenutno prestane i tečni helijum radikalno promeni svoja svojstva na ovoj temperaturi, toplotna provodljivost tečnog helijuma se povećava na milione puta i postaje veći od bakra ili srebra, stoga tečnost ne proključa jer se toplota prenosi trenutno i ravnomerno po celoj zapremini, osim toga, kada se dostigne lambda tačka, helijum postaje superfluidna tečnost, odnosno gubi; apsolutno sav viskozitet, odnosno otpor jednog dijela tekućine kretanju u odnosu na drugi, postoji odličan eksperiment koji to dokazuje ako ga sipate u malu viseću čašu prekomjerna trenutnog helijuma može se onda podići na zid posuda u obliku tankog filma i teče iz čaše, osim toga, lako prolazi kroz sloj keramike veličine pora od oko jednog mikrona i što je temperatura tečnog helijuma niža, ovoj tečnosti je lakše; da prođe kroz barijeru, takođe je iznenađujuće da tečni helijum u tako ohlađenom obliku, još uvek postoji viskozitet, koji je vidljiv na 2. putu, transformacija cilindra, slojevi tečnosti i dalje prenose rotaciju na lopatice odozgo, kako to može biti, a tu već igraju ulogu drugi kvantni mehanizmi čije se ponašanje suštinski razlikuje od zakona klasične mehanike, viskoznost kao da postoji, ali u isto vrijeme ja nisam, ovako može u principu , okarakterisati i usput, fenomen superfluidnosti tečnog helijuma prvi je otkrio sovjetski naučnik Peter Kapitsa 1938. godine, a već 1962. godine Lev Landau je razvio teoriju ovog efekta, mislim da je to sve, ali ne, mi' čekam opet temu o zvijezdama i svemirskim letovima, prije toga sam vam pričao o najčešćem izotopu helijuma i helijumu 4 koji ima dva protona i dva neutrona, međutim, postoje i izuzetno rijetki izotopi helijum-3 koji ima dva protona i jedan neutron, činjenica je da je ovaj izotop odličan za izvođenje reakcija termonuklearne fuzije sa deuterijem, i u teoriji, ovaj proces može pomoći čovječanstvu da napusti fosilna goriva, ali problem je što je na zemlji ovaj izotop nevjerovatno rijedak jer odmah ispari iz atmosfere, ali na mjesecu, koji nema atmosferu, ovaj izotop je mnogo bolji ostaje hipotetički, ljudi bi mogli izvući helijum-3 iz lunarne regolitne prašine i koristiti ga kao izvor energije na zemlji, ali za sada se samo čini kao naucna fantastika na ovu temu, cak su napravili i izvrstan film mesec 2112, preporucujem da ga pogledate i na kraju mozemo reci da ova vrsta gasa je obicna helijum ima neverovatna svojstva na niskim temperaturama, njegova svojstva se sada koriste svuda, za primjer u medicini ili za naučna istraživanja u kojima se npr. plin helijum koristi kao plin nosač u hromatografiji Pa, ako vam se svidio ovaj video, ne zaboravite da se pretplatite na kanal i kliknite na zvonce i lajkujte ga. u budućnosti ćemo naučiti još puno novih i zanimljivih stvari
Prevalencija
Otvaranje
Postojanje helijuma-3 predložio je australijski naučnik Mark Oliphant dok je radio na Univerzitetu u Kembridžu. Ovaj izotop su konačno otkrili Luis Alvarez i Robert Cornog.
Fizička svojstva
Potvrda
Trenutno se helijum-3 ne dobija iz prirodnih izvora (minimalne količine helijuma-3 su dostupne na Zemlji, izuzetno ih je teško dobiti), već nastaje raspadom veštački proizvedenog tricijuma.
Cijena
Prosječna cijena helijuma-3 u 2009. godini bila je, prema nekim procjenama, oko 930 USD po litru.
Planovi za iskopavanje helijuma-3 na Mjesecu
Helijum-3 je nusprodukt reakcija koje se dešavaju na Suncu i nalazi se u određenim količinama u solarnom vetru i međuplanetarnom mediju. Helij-3 koji ulazi u Zemljinu atmosferu iz međuplanetarnog prostora brzo se raspršuje nazad, njegova koncentracija u atmosferi je izuzetno niska
Hipotetički, tokom termonuklearne fuzije, kada 1 tona helijuma-3 reaguje sa 0,67 tona deuterijuma, oslobađa se energija koja je ekvivalentna sagorevanju 15 miliona tona nafte (međutim, tehnička izvodljivost ove reakcije trenutno nije proučavana) . Shodno tome, lunarni resurs helijuma-3 (prema maksimalnim procjenama) mogao bi trajati oko pet milenijuma za stanovništvo naše planete. Glavni problem ostaje realnost vađenja helijuma iz lunarnog regolita. Kao što je već spomenuto, sadržaj helijuma-3 u regolitu je ~1 g na 100 tona. Stoga, da bi se izdvojila tona ovog izotopa, mora se preraditi najmanje 100 miliona tona tla.
Upotreba
Brojači neutrona
Za detekciju neutrona koriste se mjerači plina punjeni helijumom-3. Ovo je najčešća metoda za mjerenje neutronskog fluksa. U njima postoji reakcija
n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.Nabijene produkte reakcije - triton i proton - bilježi plinski brojač koji radi u načinu proporcionalnog brojača ili Geiger-Muller brojača.
Primanje ultraniskih temperatura
Otapanjem tečnog helijuma-3 u helijum-4 postižu se milikelvinske temperature.
Lijek
Helijum-3 kao nuklearno gorivo
Reakcija 3 He + D → 4 He + p ima niz prednosti u odnosu na deuterijum-tricijum reakciju T + D → 4 He + n, koja je najizvodljivija u zemaljskim uslovima. Ove pogodnosti uključuju:
- Desetine puta manji tok neutrona iz reakcione zone, što naglo smanjuje indukovanu radioaktivnost i degradaciju konstruktivnih materijala reaktora;
- Rezultirajući protoni, za razliku od neutrona, lako se hvataju i mogu se koristiti za dodatnu proizvodnju električne energije, na primjer, u MHD generatoru;
- Početni materijali za sintezu su neaktivni i njihovo skladištenje ne zahtijeva posebne mjere opreza;
- U slučaju havarije reaktora sa smanjenjem pritiska u jezgri, radioaktivnost ispuštanja je blizu nule.
Nedostaci reakcije helijum-deuterijum uključuju znatno viši temperaturni prag. Potrebno je dostići temperaturu od približno 10 9 K zbog Kulonove barijere da bi ona počela. A na nižoj temperaturi termonuklearna reakcija fuzije jezgri deuterija jedna s drugom teče mnogo lakše, a reakcija između deuterija i helijuma-3 ne dolazi.
U umjetnosti
U naučnofantastičnim djelima (igrice, filmovi, anime), helij-3 ponekad djeluje kao glavno gorivo i kao vrijedan resurs, uključujući i rudarenje na Mjesecu.
Radnja britanskog naučnofantastičnog filma Mesec 2112 iz 2009. zasnovana je na radu lunarnog rudarskog kompleksa. Kompleks osigurava proizvodnju izotopa helija-3, uz pomoć kojeg je bilo moguće zaustaviti katastrofalnu energetsku krizu na Zemlji.
U političkoj komediji Iron Sky lunarni helijum-3 postao je uzrok međunarodnog nuklearnog sukoba oko prava na rudarenje.
U animeu" Planete» helijum-3 se koristi kao gorivo za raketne motore itd.
Književnost
- Dobbs E. R. Helijum Tri. - Oxford University Press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
- Galimov E. M. Ako imate energiju, možete izvući sve - rijetke zemlje. 2014. br. 2. str. 6-12.
- Nedostatak Helijum-3 Nestašica: Ponuda, Potražnja i Opcije za Kongres // FAS, 22. decembar 2010. (engleski)
Bilješke
- Audi G., Wapstra A.H., Thibault C.
Helijum-tri. Čudna i nerazumljiva fraza. Ipak, što dalje idemo, to ćemo više čuti. Jer, prema mišljenju stručnjaka, helijum-tri će spasiti naš svijet od nadolazeće energetske krize. I u ovom poduhvatu najaktivnija uloga je dodijeljena Rusiji.
Mjesec
Obećavajuća termonuklearna energija, koristeći reakciju fuzije deuterij-tricij kao osnovu, iako sigurnija od energije nuklearne fisije, koja se koristi u modernim nuklearnim elektranama, ipak ima niz značajnih nedostataka.
- Prvo, ova reakcija oslobađa mnogo veći (za red veličine!) broj neutrona visoke energije. Ništa od tako intenzivnog neutronskog fluksa poznatim materijalima ne može izdržati više od šest godina - uprkos činjenici da ima smisla napraviti reaktor sa resursom od najmanje 30 godina. Shodno tome, prvi zid tricijumskog fuzionog reaktora će morati biti zamijenjen - a to je vrlo složena i skupa procedura, koja uključuje i gašenje reaktora na prilično dug vremenski period.
- Drugo, potrebno je zaštititi magnetni sistem reaktora od snažnog neutronskog zračenja, što komplicira i, shodno tome, povećava cijenu dizajna.
- Treće, mnogi strukturni elementi tricijumskog reaktora nakon završetka rada bit će vrlo aktivni i zahtijevat će dugotrajno zakopavanje u skladištima posebno stvorenim za tu svrhu.
U slučaju korištenja deuterija sa izotopom helijuma-3 umjesto tritijuma u termonuklearnom reaktoru, većina problema se može riješiti. Intenzitet neutronskog toka pada 30 puta - u skladu s tim, može se lako osigurati vijek trajanja od 30-40 godina. Nakon prestanka rada helijumskog reaktora neće se stvarati visokoaktivni otpad, a radioaktivnost konstrukcijskih elemenata bit će toliko niska da se mogu doslovno zatrpati na gradskoj deponiji, lagano posuti zemljom.
Šta je problem? Zašto još uvijek ne koristimo tako korisno termonuklearno gorivo?
Prije svega zato što je ovaj izotop izuzetno rijedak na našoj planeti. Rođen je na Suncu, zbog čega se ponekad naziva "solarnim izotopom". Njegova ukupna masa tamo premašuje težinu naše planete. Helijum-3 se prenosi u okolni prostor solarnim vetrom. Zemljino magnetsko polje odbija značajan dio ovog vjetra, pa stoga helijum-3 čini samo trilionti dio Zemljine atmosfere - oko 4000 tona Na samoj Zemlji je još manje - oko 500 kg.
Na Mjesecu ima mnogo više ovog izotopa. Tamo je ugrađen u lunarno tlo "regolit", čiji sastav podsjeća na običnu šljaku. Govorimo o ogromnim - gotovo neiscrpnim rezervama!
Analiza šest uzoraka tla koje su donijele ekspedicije Apollo i dva uzorka dostavljena sovjetskim automatskim stanicama " Mjesec“, pokazao je da regolit koji pokriva sva mora i visoravni Mjeseca sadrži do 106 tona helijuma-3, koji bi zadovoljio potrebe zemaljske energije, čak i višestruko povećane u odnosu na moderne, za milenijum! Prema savremenim procjenama, rezerve helijuma-3 na Mjesecu su tri reda veličine veće - 109 tona.
Osim Meseca, helijum-3 se može naći u gustim atmosferama planeta gigantskih, a prema teorijskim procenama, njegove rezerve samo na Jupiteru iznose 1020 tona, što bi bilo dovoljno da napaja Zemljinu energiju do kraj vremena.
Projekti rudarstva helijuma-3
Regolit prekriva Mjesec slojem debljine nekoliko metara. Regolit lunarnih mora bogatiji je helijumom od regolita visoravni. 1 kg helijuma-3 nalazi se u približno 100.000 tona regolita.
Stoga, da bi se izdvojio dragocjeni izotop, potrebno je obraditi ogromnu količinu mrvičastog mjesečevog tla.
Uzimajući u obzir sve karakteristike, tehnologija proizvodnje helija-3 trebala bi uključivati sljedeće procese:
1. Ekstrakcija regolita.
Specijalni „kombateri” će sakupljati regolit sa površinskog sloja debljine oko 2 m i dostavljati ga do preradnih mesta ili direktno obrađivati tokom procesa rudarenja.
2. Oslobađanje helijuma iz regolita.
Kada se regolit zagrije na 600°C, oslobađa se 75% helijuma koji se nalazi u regolitu (desorbira se kada se zagrije na 800°C, oslobađa se gotovo sav helijum); Predlaže se zagrijavanje prašine u posebnim pećima, fokusirajući sunčevu svjetlost ili plastičnim sočivima ili ogledalima.
3. Isporuka na Zemlju svemirskim brodom za višekratnu upotrebu.
Kada se kopa helijum-3, iz regolita se izvlače i brojne supstance: vodonik, voda, dušik, ugljični dioksid, dušik, metan, ugljični monoksid, koji mogu biti korisni za održavanje lunarnog industrijskog kompleksa.
Projekat prvog lunarnog kombajna, dizajniranog za obradu regolita i izdvajanje izotopa helijuma-3 iz njega, predložila je grupa J. Kulczynskog. Privatne američke kompanije trenutno razvijaju nekoliko prototipova, koji će, po svemu sudeći, biti predati konkurenciji nakon što NASA odluči o karakteristikama buduće ekspedicije na Mjesec.
Jasno je da će, osim isporuke kombajna na Mjesec, tamo morati da se grade skladišta, baza s posadom (za servisiranje cijelog kompleksa opreme), kosmodrom i još mnogo toga. Vjeruje se, međutim, da će se visoki troškovi stvaranja razvijene infrastrukture na Mjesecu dobro isplatiti u smislu nadolazeće globalne energetske krize, kada će se morati napustiti tradicionalni izvori energije (ugalj, nafta, prirodni plin). .
Glavni tehnološki problem
Postoji jedan važan problem na putu stvaranja energije na bazi helijuma-3. Činjenica je da je reakciju deuterijum-helijum-3 mnogo teže izvesti od reakcije deuterijum-tricijum.
Prije svega, neobično je teško zapaliti mješavinu ovih izotopa. Procijenjena temperatura na kojoj će doći do termonuklearne reakcije u smjesi deuterijum-tricijum je 100-200 miliona stepeni. Kada se koristi helijum-3, potrebna temperatura je dva reda veličine viša. U stvari, moramo upaliti malo sunce na Zemlji.
Međutim, istorija razvoja nuklearne energije (poslednjih pola veka) pokazuje povećanje generisanih temperatura za red veličine u roku od 10 godina. Godine 1990. evropski tokamak JET je već spalio helijum-3, a rezultirajuća snaga bila je 140 kW. Otprilike u isto vrijeme, američki tokamak TFTR dostigao je temperaturu potrebnu za pokretanje reakcije u smjesi deuterij-helij.
Međutim, paljenje mješavine je još uvijek pola bitke. Loša strana termonuklearne energije je teškoća ostvarivanja praktičnih povrata, jer je radni fluid plazma zagrijana na mnogo miliona stepeni, koja se mora držati u magnetnom polju.
Eksperimenti pripitomljavanja plazme izvode se dugi niz decenija, ali tek krajem juna prošle godine u Moskvi su predstavnici niza zemalja potpisali sporazum o izgradnji na jugu Francuske u gradu Cadarache Međunarodnog eksperimentalnog centra. Termonuklearni reaktor (ITER) - prototip praktične termonuklearne elektrane. ITER će koristiti deuterijum i tricijum kao gorivo.
Termonuklearni reaktor na heliju-3 bit će strukturno složeniji od ITER-a, a za sada ga nema ni u projektima. I iako se stručnjaci nadaju da će se prototip helijum-3 reaktora pojaviti u sljedećih 20-30 godina, za sada ova tehnologija ostaje čista fantazija.
Pitanje rudarenja helijuma-3 analizirali su stručnjaci tokom saslušanja o budućnosti istraživanja i razvoja Mjeseca, održanog u aprilu 2004. godine u Podkomitetu za svemir i aeronautiku Komiteta za nauku Predstavničkog doma SAD. Njihov zaključak je bio jasan: čak iu dalekoj budućnosti, iskopavanje helijuma-3 na Mjesecu je potpuno neisplativo.
Kao što je Džon Logsdon, direktor Instituta za svemirsku politiku u Vašingtonu, primetio: „Američka svemirska zajednica ne vidi rudarenje helijuma-3 kao ozbiljan izgovor za povratak na Mesec. Letjeti tamo po ovaj izotop isto je kao poslati Kolumba u Indiju po uranijum prije pet stotina godina. Mogao je to donijeti, i on bi to donio, ali još nekoliko stotina godina niko neće znati šta će s tim.”
Ekstrakcija helijuma-3 kao nacionalni projekat
“Sada govorimo o termonuklearnoj energiji budućnosti i novoj ekološkoj vrsti goriva koja se ne može proizvesti na Zemlji. Govorimo o industrijskom razvoju Mjeseca za ekstrakciju helijuma-3.”
Ovu izjavu šefa raketno-svemirske korporacije Energia Nikolaja Sevastjanova ruski naučni posmatrači doživjeli su kao prijavu za formiranje novog „nacionalnog projekta“.
Zaista, jedna od glavnih funkcija države, posebno u 20. stoljeću, bila je upravo formuliranje zadataka za društvo na rubu mašte. To se odnosilo i na sovjetsku državu: elektrifikacija, industrijalizacija, stvaranje atomska bomba, prvi satelit, skretanje rijeka.
Danas u Ruskoj Federaciji država pokušava, ali ne može formulirati zadatke koji su na ivici nemogućeg. Državi treba neko da joj pokaže nacionalni projekat i opravda koristi koje teoretski proizilaze iz ovog projekta. Program razvoja i ekstrakcije helijuma-3 sa Mjeseca na Zemlju u cilju opskrbe termonuklearnom energijom gorivom idealno ispunjava ove zahtjeve.
„Ja samo mislim da postoji nedostatak u nekom velikom tehnološkom problemu“, naglasio je u intervjuu Aleksandar Zaharov, doktor fizičko-matematičkih nauka, naučni sekretar Instituta za svemirska istraživanja Ruske akademije nauka. “Možda se zbog toga nedavno pojavila sva ova priča o iskopavanju helijuma-3 na Mjesecu za termonuklearnu energiju. Ako Mjesec- izvor minerala, i odatle da se donese ovaj helijum-3, ali na Zemlji nema dovoljno energije... Sve je to razumljivo, zvuči jako lepo. I lako je, možda, uvjeriti uticajnih ljudi dodijeliti novac. Mislim da je tako”.
Kandidat fizičko-matematičkih nauka A. PETRUKOVICH.
Lakom rukom američkog predsjednika krajem 2003. godine na dnevni red stavljeno je pitanje novih ciljeva čovječanstva u svemiru. Cilj stvaranja useljive stanice na Mjesecu, među ostalim prijedlozima, dijelom se temelji na primamljivoj ideji korištenja jedinstvenih lunarnih rezervi helijuma-3 za stvaranje energije na Zemlji. Budućnost će pokazati da li je lunarni helijum koristan ili ne, ali priča o njemu je prilično fascinantna i omogućava nam da uporedimo naše znanje o strukturi atomskog jezgra i Solarni sistem sa praktičnim aspektima energetike i rudarstva.
Nauka i život // Ilustracije
Nauka i život // Ilustracije
Nauka i život // Ilustracije
Nauka i život // Ilustracije
Nauka i život // Ilustracije
Nauka i život // Ilustracije
Nauka i život // Ilustracije
ZA ŠTO? ILI NUKLEARNA fuzija - ALHEMIJA U STVARNOSTI
Pretvaranje olova u zlato bio je san srednjovjekovnih alhemičara. Kao i uvijek, ispostavilo se da je priroda bogatija od ljudske mašte. Reakcije nuklearne fuzije stvorile su svu raznolikost hemijskih elemenata, postavljajući temelje materijalnu osnovu naš svijet. Međutim, sinteza može pružiti i nešto mnogo vrijednije od zlata – energiju. Nuklearne reakcije su u tom smislu slične hemijskim reakcijama (odnosno reakcijama koje transformišu molekule): svaku složenu tvar, bilo da se radi o molekuli ili atomskom jezgru, karakterizira energija vezivanja koja se mora potrošiti da bi se jedinjenje uništilo, a koja oslobađa se kada se formira. Kada je energija vezivanja produkta reakcije veća od početnih materijala, reakcija se nastavlja oslobađanjem energije, a ako naučite da je uzimate u ovom ili onom obliku, početni materijali se mogu koristiti kao gorivo. Od hemijskih procesa, najefikasnija je u tom smislu, kao što je poznato, reakcija interakcije sa kiseonikom - sagorevanje, koje danas služi kao glavni i nezamenljivi izvor energije u elektranama, u transportu i u svakodnevnom životu (čak i više). energija se oslobađa tokom reakcije fluora, posebno molekularne, sa vodonikom, međutim, i sam fluor i fluorovodon su izuzetno agresivne supstance);
Energija vezivanja protona i neutrona u jezgru je mnogo veća od one koja veže atome u molekule i doslovno se može izmjeriti pomoću Einsteinove velike formule E = mc 2: masa atomskog jezgra je primjetno manja od mase pojedinačnih protona i neutrona koji ga čine. Dakle, tona nuklearnog goriva zamjenjuje mnogo miliona tona nafte. Međutim, nije uzalud što se fuzija naziva termonuklearnom: da biste prevladali elektrostatičko odbijanje kada se dva pozitivno nabijena atomska jezgra spoje, morate ih pravilno ubrzati, odnosno zagrijati nuklearno gorivo na stotine miliona stupnjeva ( zapamtite da je temperatura mjera kinetičke energije čestica). Zapravo, na takvim temperaturama više nemamo posla s plinovima ili tekućinama, već s četvrtim agregatnim stanjem - plazmom, u kojoj nema neutralnih atoma, već samo elektrona i jona.
U prirodi takvi uslovi pogodni za sintezu postoje samo u unutrašnjosti zvijezda. Sunce svoju energiju duguje takozvanom helijumskom ciklusu reakcija: sintezi jezgra helijuma-4 iz protona. U gigantskim zvijezdama i prilikom eksplozija supernove rađaju se i teži elementi, formirajući tako cjelokupnu raznolikost elemenata u svemiru. (Istina, vjeruje se da je dio helijuma mogao nastati neposredno pri rođenju Univerzuma, tokom Velikog praska.) Sunce u tom smislu nije najefikasniji generator, jer gori dugo i sporo : proces se usporava prvom i najsporijom reakcijom fuzije deuterija dva protona. Sve sljedeće reakcije odvijaju se mnogo brže i odmah troše raspoloživi deuterijum, pretvarajući ga u jezgra helijuma u nekoliko faza. Kao rezultat toga, čak i ako pretpostavimo da je samo stoti dio sunčeve materije koja se nalazi u njenom jezgru uključena u fuziju, oslobađanje energije iznosi samo 0,02 vata po kilogramu. Međutim, upravo ta sporost, objašnjena prvenstveno malom, po zvjezdanim standardima, masom zvijezde (Sunce spada u kategoriju potpatuljaka) i osiguravanjem postojanosti toka sunčeve energije dugi niz milijardi godina, mi duguju samom postojanju života na Zemlji. Kod gigantskih zvijezda, pretvaranje materije u energiju je mnogo brže, ali kao rezultat toga, one se potpuno sagore za desetine miliona godina, a da nemaju vremena da pravilno steknu planetarne sisteme.
Odlučivši provesti termonuklearnu fuziju u laboratoriji, osoba namjerava nadmudriti prirodu stvaranjem efikasnijeg i kompaktnijeg generatora energije od Sunca. Međutim, možemo odabrati mnogo lakše izvodljivu reakciju - sintezu helijuma iz smjese deuterij-tricij. Planirano je da projektovani međunarodni termonuklearni reaktor - tokamak "ITER" bude u stanju da dostigne prag paljenja, od kojeg je, međutim, još uvek veoma, veoma daleko od komercijalne upotrebe termonuklearne energije (vidi "Nauka i život" br. ., , 2001). Glavni problem, kao što je poznato, je održati plazmu zagrijanom na potrebnu temperaturu. Pošto nijedan zid na takvoj temperaturi ne može izbjeći uništenje, oni pokušavaju zadržati oblak plazme magnetsko polje. U hidrogenskoj bombi problem se rješava eksplozijom malog atomskog naboja, komprimiranjem i zagrijavanjem smjese do potrebnog stanja, ali ova metoda nije pogodna za mirnu proizvodnju energije. (O izgledima takozvane eksplozivne energije, vidi “Nauka i život” br. 7, 2002.)
Glavni nedostatak reakcije deuterijum-tricijum je visoka radioaktivnost tricijuma, čiji je poluživot samo 12,5 godina. Ovo je najprljavija reakcija na zračenje, toliko da će u industrijskom reaktoru unutrašnje zidove komore za izgaranje trebati mijenjati svakih nekoliko godina zbog radijacijskog uništavanja materijala. Istina, najštetniji radioaktivni otpad, koji zbog dugog vremena raspadanja zahtijeva neograničeno zakopavanje duboko pod zemljom, uopće ne nastaje tokom fuzije. Drugi problem je što se oslobođena energija uglavnom odnosi na neutrone. Ove čestice, koje nemaju električni naboj, ne primjećuju elektromagnetno polje i općenito slabo komuniciraju s materijom, pa im nije lako oduzeti energiju.
Reakcije fuzije bez tricija, kao što su one koje uključuju deuterijum i helijum-3, praktički su sigurne od zračenja jer koriste samo stabilne jezgre i ne proizvode nezgodne neutrone. Međutim, da bi se takva reakcija „zapalila“, potrebno je, da bi se nadoknadila niža brzina fuzije, zagrijati plazma deset puta toplije – do milijardu stepeni (istovremeno riješiti problem njenog zatvaranja)! Stoga se danas takve opcije smatraju osnovom za buduće termonuklearne reaktore druge generacije, nakon deuterijum-tricijumskog. Međutim, ideja o ovoj alternativnoj termonuklearnoj energiji stekla je neočekivane saveznike. Zagovornici kolonizacije svemira smatraju helijum-3 jednim od glavnih ekonomskih ciljeva lunarne ekspanzije, koji bi trebao zadovoljiti potrebe čovječanstva za čistom termonuklearnom energijom.
GDJE? ILI SUNČANI GOST
Na prvi pogled ne bi trebalo biti problema s tim gdje nabaviti helijum: on je drugi najzastupljeniji element u Univerzumu, a relativni sadržaj svjetlosnog izotopa u njemu je nešto manji od jedne hiljaditi dio. Međutim, za Zemlju je helijum egzotičan. To je vrlo isparljiv plin. Zemlja ga svojom gravitacijom ne može zadržati, a gotovo sav primarni helijum koji je pao na nju iz protoplanetarnog oblaka tokom formiranja Sunčevog sistema vratio se iz atmosfere nazad u svemir. Čak je i helijum prvi put otkriven na Suncu, zbog čega je i dobio ime po starogrčkom bogu Heliosu. Kasnije je pronađen u mineralima koji sadrže radioaktivnih elemenata, i konačno uhvaćen u atmosferi među ostalim plemenitim plinovima. Zemaljski helijum uglavnom nije kosmičkog porekla, već sekundarnog, radijacionog: tokom raspada radioaktivnih hemijskih elemenata emituju se alfa čestice - jezgra helijuma-4. Helij-3 ne nastaje na ovaj način, pa je njegova količina na Zemlji zanemarljiva i doslovno iznosi kilograme.
Helij kosmičkog porijekla (sa relativno visokim sadržajem helijuma-3) možete nabaviti u atmosferama Urana ili Neptuna - planeta dovoljno velikih da zadrže ovaj svjetlosni plin, ili na Suncu. Pokazalo se da je lakše doći do solarnog helijuma: cijeli međuplanetarni prostor ispunjen je solarnim vjetrom, u kojem se na svakih 70 hiljada protona nalazi 3000 alfa čestica - jezgra helijuma-4 i jedno jezgro helijuma-3. Ovaj vjetar je izuzetno rijedak po zemaljskim standardima, to je pravi vakuum i nemoguće ga je uhvatiti mrežom (vidi Nauka i život" br. 7, 2001.). Ali solarna plazma se taloži na površini nebeskih tijela koja to rade; nemaju magnetosferu i atmosferu, na primjer, na Mjesecu, pa je, stoga, moguće isprazniti neku prirodnu zamku koja se redovno dopunjavala u posljednje četiri milijarde godina kao rezultat bombardiranja plazme, nekoliko stotina miliona tona helijum-3 je pao na Mjesec za to vrijeme kada bi cijeli solarni vjetar ostao na površini Mjeseca, tada bi na svakom kvadratnom metru površine bilo u prosjeku još 100 kilograma helijuma-3. vodonika i 16 kilograma helijuma-4 bilo bi moguće stvoriti sasvim pristojnu atmosferu, samo malo razrijeđenu od okeana tečnog plina na dva metra.
Međutim, na Mjesecu nema ništa slično, a samo vrlo mali dio jona solarnog vjetra ostaje zauvijek u gornjem sloju lunarnog tla - regolitu. Studije lunarnog tla koje su na Zemlju donijele sovjetske sonde Luna i američke sonde Apollo pokazale su da ono sadrži otprilike 1/100-milionitog dijela helijuma-3, odnosno 0,01 grama po 1 toni. A ukupno ima oko milion tona ovog izotopa na Mesecu, što je mnogo po zemaljskim standardima. Na sadašnjem nivou globalne potrošnje energije, lunarno gorivo bi trajalo 10 hiljada godina, što je otprilike deset puta veće od energetskog potencijala svih ekstrahiranih hemijskih goriva (gas, nafta, ugalj) na Zemlji.
KAKO? ILI "PO GRAMU PROIZVODNJE, PO GODINI RADA"
Nažalost, na Mjesecu nema "jezera" helijuma, on je manje-više ravnomjerno raspoređen po površinskom sloju. Međutim, sa tehničke tačke gledišta, proces rudarenja je prilično jednostavan i detaljno su ga razvili entuzijasti lunarne kolonizacije (vidi, na primjer, www.asi.org).
Da bi se zadovoljile trenutne godišnje energetske potrebe Zemlje, potrebno je sa Mjeseca donijeti samo oko 100 tona helijuma-3. Upravo ta količina, koja odgovara tri ili četiri leta svemirskih šatlova, fascinira svojom dostupnošću. Međutim, prvo morate iskopati oko milijardu tona lunarnog tla - ne tako veliku količinu po standardima rudarske industrije: na primjer, u svijetu se iskopa dvije milijarde tona uglja godišnje (u Rusiji - oko 300 miliona tona). Naravno, sadržaj helija-3 u stijeni nije previsok: na primjer, razvoj ležišta se smatra isplativim ako sadrže najmanje nekoliko grama zlata, a dijamanti - najmanje dva karata (0,4 g) po toni. U tom smislu, helijum-3 se može porediti samo sa radijumom, od kojeg se od početka dvadesetog veka proizvodi svega nekoliko kilograma: preradom tone čistog uranijuma dobije se samo 0,4 grama radijuma, da ne spominjemo problemi iskopavanja samog uranijuma. Početkom prošlog stoljeća, u periodu romantičnog odnosa prema radioaktivnosti, radijum je bio prilično popularan i poznat ne samo fizičarima, već i tekstopiscima: sjetimo se fraze V.V. Majakovskog: „Poezija je ista proizvodnja radijuma po gramu, radna snaga godišnje. Ali helijum-3 je skuplji od gotovo bilo koje supstance koju koriste ljudi – jedna tona koštala bi najmanje milijardu dolara, ako energetski potencijal helijuma pretvorimo u ekvivalent nafte po povoljnoj cijeni od 7 dolara po barelu.
Gas se lako oslobađa iz regolita zagrijanog na nekoliko stotina stepeni, recimo, uz pomoć ogledala solarnog koncentratora. Ne zaboravimo da helijum-3 još uvek treba da se odvoji od mnogo većeg broja drugih gasova, uglavnom helijuma-4. Ovo se postiže hlađenjem gasova u tečno stanje i korišćenjem male razlike u tačkama ključanja izotopa (4,22 K za helijum-4 ili 3,19 K za helijum-3). Još jedna elegantna metoda odvajanja zasniva se na korištenju svojstva superfluidnosti tečnog helijuma-4, koji može samostalno teći kroz vertikalni zid u susjedni kontejner, ostavljajući za sobom samo nesuperfluidni helijum-3 (vidi "Nauka i život" br. 2, 2004).
Avaj, sve će to morati da se radi u svemiru bez vazduha, ne u uslovima „staklene bašte“ na Zemlji, već na Mesecu. Nekoliko rudarskih gradova će morati da se preseli tamo, što, u suštini, znači kolonizaciju Meseca. Sada stotine stručnjaka nadzire sigurnost nekoliko astronauta u niskoj orbiti Zemlje, a posada se može vratiti na Zemlju u bilo kojem trenutku. Ako desetine hiljada ljudi završe u svemiru, moraće sami da žive u vakuumu, bez detaljnog nadzora sa Zemlje, i da sebi obezbede vodu, vazduh, gorivo i osnovni građevinski materijal. Međutim, na Mjesecu ima dovoljno vodonika, kisika i metala. Mnogi od njih mogu se dobiti kao nusproizvod iskopavanja helijuma. Tada bi, vjerovatno, helijum-3 mogao postati profitabilna roba za trgovinu sa Zemljom. Ali budući da će ljudima u tako teškim uvjetima trebati mnogo više energije nego zemljanima, lunarne rezerve helijuma-3 možda neće izgledati tako neograničene i privlačne našim potomcima.
Usput, postoji alternativno rješenje za ovaj slučaj. Ako inženjeri i fizičari pronađu način da se izbore sa držanjem helijumske plazme deset puta toplije od onoga što je potrebno za moderni tokamak (zadatak koji se sada čini apsolutno fantastičnim), onda ćemo povećanjem temperature za samo dva puta više „zapaliti“ reakcija sinteze koja uključuje protone i bor. Tada će biti riješeni svi problemi s gorivom, i to po znatno nižoj cijeni: u zemljinoj kori ima više bora nego, na primjer, srebra ili zlata, široko se koristi kao aditiv u metalurgiji, elektronici i hemiji. Rudarsko-prerađivački pogoni proizvode stotine hiljada tona raznih soli koje sadrže bor godišnje, a ako nemamo dovoljno rezervi na kopnu, onda u svakoj toni morska voda sadrži nekoliko grama bora. I svako ko ima bočicu borne kiseline u svojoj kućnoj apoteci može smatrati da ima sopstvenu rezervu energije za budućnost.
Književnost
Bronstein M.P. Solarna supstanca. - Terra Book Club, 2002.
Lunarno tlo iz mora obilja. - M.: Nauka, 1974.
Naslovi za ilustracije
Ill. 1. Helijev ciklus reakcija nuklearne fuzije počinje fuzijom dva protona u jezgro deuterijuma. U kasnijim fazama formiraju se složenije jezgre. Zapišimo prvih nekoliko najjednostavnijih reakcija koje će nam kasnije trebati.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p ili
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
Brzina reakcije je određena vjerovatnoćom prevladavanja elektrostatičke barijere kada se dva pozitivno nabijena jona približe jedan drugom i vjerovatnoćom same nuklearne fuzije (tzv. poprečni presjek interakcije). Konkretno, što je veća kinetička energija jezgra i što je manji njegov električni naboj, to je veća šansa za prolazak elektrostatičke barijere i veća je brzina reakcije (vidi grafikon). Ključni parametar teorije termonuklearne energije - kriterijum reakcijskog paljenja - određuje pri kojoj gustoći i temperaturi plazma goriva će energija oslobođena tokom fuzije (proporcionalna brzini reakcije pomnoženoj sa gustinom plazme i vremenom sagorevanja) premašiti cenu zagrevanja plazme, uzimajući u obzir gubitke i efikasnost. Reakcija deuterijuma i tricijuma ima najveću brzinu, a da bi se postiglo paljenje, plazma koncentracije od oko 10 14 cm -3 mora se zagrijati na sto i po miliona stepeni i držati 1-2 sekunde. Da bi se postigao pozitivan energetski bilans u reakcijama koje uključuju druge komponente - helijum-3 ili bor, niža brzina se mora nadoknaditi povećanjem temperature i gustine plazme desetinama puta. Ali uspješan sudar dvaju jezgara oslobađa energiju koja je hiljadu puta veća od energije utrošene na njihovo zagrijavanje. Početne reakcije helijumskog ciklusa, koje formiraju deuterijum i tricijum u solarnom jezgru, odvijaju se tako sporo da odgovarajuće krive nisu uključene u polje ovog grafikona.
Ill. 2. Sunčev vjetar je struja razrijeđene plazme koja neprestano teče sa površine Sunca u međuplanetarni prostor. Vjetar nosi samo oko 3x10 -14 solarnih masa godišnje, ali se ispostavilo da je on glavna komponenta međuplanetarnog medija, istiskujući međuzvjezdanu plazmu iz blizine Sunca. Tako nastaje heliosfera - neka vrsta balona poluprečnika oko stotinu astronomskih jedinica, koji se kreće zajedno sa Suncem kroz međuzvezdani gas. Kako se astronomi nadaju, američki sateliti Voyager 1 i Voyager 2 sada se približavaju njegovoj granici, koji će uskoro postati prva svemirska letjelica koja će napustiti Sunčev sistem. Sunčev vjetar je prvi put otkrila sovjetska interplanetarna stanica Luna-2 1959. godine, ali indirektni dokazi o prisutnosti korpuskularnog toka koji dolazi sa Sunca bili su poznati ranije. Za magnetne oluje su odgovorni stanovnici Zemlje za solarni vetar (vidi “Nauka i život” br. 7, 2001). U blizini Zemljine orbite, vjetar u prosjeku sadrži samo šest jona po kubnom centimetru, krećući se zapanjujućom brzinom od 450 km/s, što, međutim, na skali Sunčevog sistema nije tako brzo: potrebno je tri dana. da putuju na Zemlju. Sunčev vetar se sastoji od 96% protona i 4% jezgra helijuma. Primjena ostalih elemenata je neznatna.
Ill. 3. Lunarni regolit je prilično labav sloj na površini Mjeseca debeo nekoliko metara. Uglavnom se sastoji od malih krhotina prosječne veličine manje od milimetra, akumuliranih milijardama godina kao rezultat razaranja lunarnih stijena promjenama temperature i udarima meteorita. Studije lunarnog tla su pokazale da što je više titanovih oksida u regolitu, to je više atoma helija.
Ill. 4. Prisustvo titana u prizemnom sloju prilično se lako detektuje daljinskom spektroskopskom analizom (crvena boja na desnoj slici figure dobijene satelitom Clementine), i tako se dobija mapa „nasloga“ helijuma, koja , općenito, poklapa se s lokacijom lunarnih mora.
Ill. 5. Za ekstrakciju jedne tone helijuma-3 potrebno je obraditi površinski sloj regolita na površini od najmanje 100 kvadratnih kilometara. Usput će biti moguće dobiti značajnu količinu drugih plinova koji će biti korisni za uređenje života na Mjesecu. Slike preuzete sa stranice