Mjesec i peni, ili istorija energije helijuma. Helijum: svojstva, karakteristike, primena Helijum formula 3
Neće proći mnogo vremena, po standardima ljudske civilizacije, dok se fosilni prirodni resursi ne iscrpe. Među mogućim kandidatima za zamjenu nafte i plina su solarna energija, energija vjetra ili vodonik. IN poslednjih godina Sve češće možete čuti o novom spasenju planete pod nazivom helijum-3. Tek nedavno je otkriveno da se ova tvar može koristiti kao sirovina za elektrane.
Opšte informacije o supstanci: svojstva
Godine 1934. australijski fizičar Mark Oliphant, dok je radio u Cavendish laboratoriji na Univerzitetu Kembridž u Engleskoj, došao je do izuzetnog otkrića. Tokom prve demonstracije nuklearne fuzije bombardiranjem deuteronske mete, on je pretpostavio postojanje novog izotopa hemijskog elementa broj 2. Danas je poznat kao helijum-3.
Ima sljedeće svojstva:
- Sadrži dva protona, jedan neutron i dva elektrona;
- Između svih poznatih elemenata to je jedini stabilni izotop koji ima više protona nego neutrona;
- Vri na 3,19 Kelvina (-269,96 stepeni Celzijusa). Tokom ključanja, supstanca gubi polovinu svoje gustine;
- Ugaoni moment je ½, što ga čini fermionom;
- Latentna toplota isparavanja je 0,026 KJ/mol;
Pet godina nakon otkrića Marka Olifanta teorijske konstrukcije dobio eksperimentalnu potvrdu. I nakon 9 godina, naučnici su uspjeli dobiti jedinjenje V tečni oblik . Kako se ispostavilo, u ovom stanju agregacije, helijum-3 ima superfluidna svojstva.
Drugim riječima, na temperaturama blizu apsolutne nule, sposoban je prodrijeti kroz kapilare i uske pukotine, praktično ne doživljavajući otpor trenja.
Iskopavanje helijuma-3 na Mesecu
Tokom milijardi godina, solarni vetar je taložio gigantske količine helijuma-3 u površinski sloj regolita. Prema procjenama, njegova količina na Zemljinom satelitu može dostići 10 miliona tona.
Mnoge svemirske sile imaju program za ekstrakciju ove supstance u svrhu naknadne termonuklearne fuzije:
- U januaru 2006. godine ruska kompanija Energia objavila je planove za početak geoloških radova na Mjesecu do 2020. godine. Danas je budućnost projekta u limbu zbog teške ekonomske situacije u zemlji;
- Indijska organizacija za svemirska istraživanja je 2008. godine poslala sondu na površinu Zemljinog satelita, čiji je jedan od ciljeva bio proučavanje minerala koji sadrže helijum;
- Kina također ima svoje planove za nalazišta dragocjenih sirovina. Prema planovima, planirano je slanje tri šatla ka satelitu godišnje. Energija proizvedena iz ovog goriva će više nego pokriti potrebe cijelog čovječanstva.
Za sada to ostaje san koji se može vidjeti samo u naučnofantastičnim filmovima. Među njima su “Mesec” (2009) i “Gvozdeno nebo” (2012).
U ovom videu, fizičar Boris Romanov će vam reći u kom se obliku supstanca helijum-3 nalazi na Mesecu i da li je moguće da je uvezete odatle:
Geohemijski podaci
Izotop je prisutan i na planeti Zemlji, ali u manjim količinama:
- Ovo je glavna komponenta Zemljinog omotača, koja je sintetizovana tokom formiranja planete. Njegova ukupna masa u ovom dijelu planete je, prema različitim procjenama, od 0,1 do 1 milion tona;
- Izbija na površinu kao rezultat vulkanske aktivnosti. Tako brda Havajskih ostrva emituju oko 300 grama ove supstance godišnje. Srednjookeanski grebeni - oko 3 kilograma;
- Na mjestima gdje se jedna litosferska ploča sudari s drugom, može postojati stotine hiljada tona izotopa helijuma. Izvucite ovo bogatstvo industrijski moderna pozornica tehnološki razvoj nije moguć;
- Priroda nastavlja da proizvodi ovo jedinjenje do danas, kao rezultat raspadanja radioaktivnih elemenata u kori i plaštu;
- Može se naći u prilično malim količinama (do 0,5%) u nekim izvorima prirodnog gasa. Kako napominju stručnjaci, svake godine se tokom transporta prirodnog gasa izdvoji 26 m 3 helijuma-3;
- Prisutan je i u zemljinoj atmosferi. Njegova specifična frakcija je otprilike 7,2 dijela na trilion atoma drugih atmosferskih plinova. Prema najnovijim proračunima, ukupna masa atmosferskog 3 2 on dostiže najmanje 37 hiljada tona.
Moderna upotreba supstance
Gotovo svi izotopi koji se koriste u nacionalnoj ekonomiji nastaju radioaktivnim raspadom tritijuma, koji je bombardiran litijum-6 neutronima u nuklearnom reaktoru.
Decenijama helijum-3 je bio samo nusproizvod u proizvodnji bojevih glava atomsko oružje . Međutim, nakon potpisivanja ugovora START I 1991. godine, supersile su smanjile obim proizvodnje projektila, zbog čega su i proizvodi u proizvodnji počeli opadati.
Danas je proizvodnja izotopa u procvatu jer su mu pronađene nove upotrebe:
- Zbog relativno visokog žiromagnetnog omjera, čestice ove supstance se koriste u medicinskoj tomografiji pluća. Pacijent udiše plinsku mješavinu koja sadrži hiperpolarizirane atome helijuma-3. Zatim, pod uticajem infracrvenog laserskog zračenja, kompjuter crta anatomske i funkcionalne slike organa;
- U naučnim laboratorijama ovo jedinjenje se koristi u kriogene svrhe. Isparavanjem s površine hladnjaka moguće je postići vrijednosti blizu 0,2 kelvina;
- Posljednjih godina ideja o korištenju tvari kao sirovine za elektrane postaje sve popularnija. Prva takva instalacija izgrađena je 2010. godine u dolini Tennessee (SAD).
Helijum-3 kao gorivo
Drugi, revidirani pristup korištenju kontrolirane energije fuzije uključuje korištenje 3 2 he i deuterijuma kao sirovina. Rezultat takve reakcije bit će ion helijum-4 i visokoenergetski protoni.
Teoretski, ova tehnologija ima sljedeće prednosti:
- Visoka efikasnost jer se elektrostatičko polje koristi za kontrolu fuzije jona. Kinetička energija protona se direktno pretvara u električnu energiju putem pretvaranja u čvrstom stanju. Nema potrebe za izgradnjom turbina, koje se koriste u nuklearnim elektranama za pretvaranje energije protona u toplinu;
- Niži, u poređenju sa drugim tipovima elektrana, kapitalni i operativni troškovi;
- Ni vazduh ni voda nisu zagađeni;
- Relativno male dimenzije zbog upotrebe modernih kompaktnih instalacija;
- Nema radioaktivnog goriva.
Međutim, kritičari primjećuju značajnu "sirovost" ove odluke. U najboljem komercijalna upotreba termonuklearne fuzije počet će najkasnije 2050.
Među svim izotopima hemijskog elementa sa atomskim brojem 2 izdvaja se helijum-3. Ono što je to može se ukratko opisati sljedećim svojstvima: stabilno je (tj. ne prolazi kroz transformacije kao rezultat zračenja), ima superfluidna svojstva u tečnom obliku i ima relativno malu masu.
Video o formiranju helijuma-3 u svemiru
U ovom videu, fizičar Daniil Potapov će vam reći kako je helijum-3 nastao u Univerzumu, kakvu je ulogu imao u formiranju Univerzuma:
Posljednjih mjeseci u medijima se mnogo govori o prisustvu niza država (prvenstveno SAD, Rusije i Kine) projekata za ekstrakciju helijuma-3 za kontrolirane termonuklearne reakcije. Ove projekte mnogi doživljavaju doslovno kao rješenje svih problema čovječanstva. Dakle, šta je helijum-3?
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 Ruske akademije nauka, 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%, a čak i ako svijet počne da koristi maksimalan broj rijeka za hidroelektrane, ukupna energija koju ispuštaju 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 geotermalne energije je njena praktična neiscrpnost i potpuna nezavisnost od uslova okoline, 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 velike količine soli raznih toksičnih metala (npr. bor, olovo, cink, kadmijum, arsen) i hemijskih jedinjenja (amonijak, fenoli), što onemogućava ispuštanje ovih voda u prirodne vodne 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.
Posljednjih 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
HIPOTEZE, ČINJENICE, RAZLOGA
Lunarni helijum-3 je termonuklearno gorivo budućnosti.
Komentar autora sajta: Aktiviranjem američkog lunarnog svemirskog programa sve češće čujemo da, uz prisustvo vode, Mesec sadrži ogromne rezerve izotopa helija-3 – goriva za nuklearnu energiju budućnosti. Da li je to tako, kakve izglede ovo obećava čovječanstvu, treba li uopće istraživati Mjesec i kako se to može učiniti - evo samo male liste pitanja, odgovore na koja ćete saznati u ovom članku, a to je poglavlje „Helijum-3“ iz knjige akademika Ruske akademije nauka Erika Mihajloviča Galimova „Planovi i pogrešne kalkulacije: Fundamentalna svemirska istraživanja u Rusiji u poslednjih dvadeset godina. Dvadeset godina beskorisnih napora“.
Činjenica da je Mjesec obogaćen helijumom-3 poznata je još otkako je lunarni materijal prvi put donesen na Zemlju. U uzorcima lunarnog tla koje su američki astronauti donijeli tokom ekspedicija Apollo i isporučili sovjetska automatska svemirska letjelica Luna, pokazala se relativna koncentracija izotopa helijuma 3 He (omjer 3 He / 4 He) hiljadu puta veća nego u zemaljskom heliju . To je rezultat zračenja nezaštićene atmosfere površine Mjeseca korpuskularnim zračenjem Sunca. Tokom milijardi godina, atomi elemenata koje emituje Sunce unose se u površinski sloj prašine (regolit) Meseca, pre svega vodonik i helijum u izotopskom odnosu svojstvenom Suncu. Druga činjenica - da je 3 He efikasno termonuklearno gorivo - bila je poznata fizičarima još ranije. Međutim, tih godina iz ovih činjenica nije izvučen nikakav praktičan zaključak. Energija Zemlje je bila obezbeđena brzom proizvodnjom nafte i gasa. Nuklearna energija se zasnivala na dostupnim sirovinama uranijuma. Kontrolisana termonuklearna fuzija nije postignuta čak ni jednostavnijom reakcijom deuterijuma sa tricijumom. Na Zemlji, helijum-3 je odsutan u industrijskim količinama.
Krajem 80-ih - ranih 90-ih. Pojavile su se publikacije o mogućoj upotrebi Mjeseca kao izvora energije za Zemlju. Na primjer, predloženi su projekti za prijenos solarne energije prikupljene na površini Mjeseca na Zemlju u obliku fokusiranog snopa visoke frekvencije. Izražena je i ideja o rudarenju i isporuci lunarnog helijuma-3. Zaljubljenik u ovu ideju, posebno, bio je čovjek koji je posjetio Mjesec Američki astronaut Harold Schmidt. Napisao je ozbiljnu knjigu o mogućnosti upotrebe helijuma-3.
Pozivajući na povratak lunarnom istraživanju, pored specifičnog i hitnog zadatka proučavanja unutrašnje strukture Mjeseca, stalno sam spominjao razvoj lunarnih resursa helijuma-3 kao zadatak koji se mora imati na umu kao daleka perspektiva.
Mislim da danas ne predviđamo u potpunosti šta će nam dati istraživanje Meseca, te stoga na to prilazimo kolebljivo, stidljivo i sa zakašnjenjem. Morao sam više puta pisati da je proučavanje Mjeseca od velike važnosti za fundamentalnu geologiju. Rekonstrukcija rane istorije Zemlje, nastanka njene atmosfere, okeana i života, nemoguće je bez proučavanja Mjeseca. Makar samo zato što su tragovi prvih 500-600 miliona godina istorije Zemlje potpuno izbrisani u njenom geološkom zapisu, ali su sačuvani na Mesecu. I zato što Mjesec i Zemlja predstavljaju genetski ujedinjen sistem.
Helijum je inertni gas 18. grupe periodnog sistema. To je drugi najlakši element nakon vodonika. Helijum je gas bez boje, mirisa i ukusa koji postaje tečan na temperaturi od -268,9 °C. Njegove tačke ključanja i smrzavanja su niže od onih kod bilo koje druge poznate supstance. To je jedini element koji se ne stvrdne kada se ohladi na normalnom atmosferskom pritisku. Da bi helijum prešao u čvrsto stanje, potrebno je 25 atmosfera na temperaturi od 1 K.
Istorija otkrića
Helijum je u gasovitoj atmosferi koja okružuje Sunce otkrio francuski astronom Pjer Jansen, koji je 1868. godine, tokom pomračenja, otkrio jarko žutu liniju u spektru solarne hromosfere. Prvobitno se smatralo da ova linija predstavlja element natrijum. Iste godine engleski astronom Joseph Norman Lockyer uočio je žutu liniju u sunčevom spektru koja nije odgovarala poznatim linijama D 1 i D 2 natrijuma, pa ju je nazvao D 3 linija. Lockyer je zaključio da ga je izazvala supstanca na Suncu koja je nepoznata na Zemlji. On i hemičar Edvard Frankland koristili su grčko ime za Sunce, helios, da nazovu element.
Godine 1895. britanski hemičar Sir William Ramsay dokazao je postojanje helijuma na Zemlji. Dobio je uzorak minerala kleveita koji sadrži uranijum, i nakon ispitivanja gasova koji nastaju zagrijavanjem, otkrio je da se jarko žuta linija u spektru poklapa sa linijom D 3 uočenom u spektru Sunca. Tako je novi element konačno postavljen. Godine 1903. Ramsay i Frederic Soddu su utvrdili da je helijum proizvod spontanog raspada radioaktivnih supstanci.
Rasprostranjenost u prirodi
Masa helijuma čini oko 23% ukupne mase svemira, a element je drugi po zastupljenosti u svemiru. Koncentrisan je u zvijezdama, gdje nastaje iz vodonika kao rezultat termonuklearne fuzije. Iako se helijum nalazi u zemljinoj atmosferi u koncentraciji od 1 u 200 hiljada (5 ppm) i nalazi se u malim količinama u radioaktivnim mineralima, meteoritskom gvožđu i mineralnim izvorima, velike količine elementa nalaze se u Sjedinjenim Državama ( posebno u Teksasu, Novom Meksiku, Kanzasu, Oklahomi, Arizoni i Juti) kao komponenta (do 7,6%) prirodnog gasa. Male rezerve otkrivene su u Australiji, Alžiru, Poljskoj, Kataru i Rusiji. U zemljinoj kori koncentracija helijuma je samo oko 8 delova na milijardu.
Izotopi
Jezgro svakog atoma helija sadrži dva protona, ali kao i drugi elementi, ima izotope. Sadrže od jednog do šest neutrona, pa im se maseni brojevi kreću od tri do osam. Stabilni su elementi u kojima je masa helija određena atomskim brojevima 3 (3 He) i 4 (4 He). Svi ostali su radioaktivni i vrlo brzo se raspadaju u druge tvari. Zemaljski helijum nije originalna komponenta planete; on je nastao kao rezultat radioaktivnog raspada. Alfa čestice koje emituju jezgra teških radioaktivnih supstanci su jezgra izotopa 4 He. Helijum se ne akumulira u velikim količinama u atmosferi jer Zemljina gravitacija nije dovoljno jaka da spriječi njegovo postepeno curenje u svemir. Tragovi 3 He na Zemlji se objašnjavaju negativnim beta raspadom rijetkog elementa vodonika-3 (tricijuma). 4 On je najzastupljeniji od stabilnih izotopa: odnos 4 He i 3 He atoma je oko 700 hiljada prema 1 u atmosferi i oko 7 miliona prema 1 u nekim mineralima koji sadrže helijum.
Fizička svojstva helijuma
Ovaj element ima najniže tačke ključanja i topljenja. Iz tog razloga, helijum postoji osim u ekstremnim uslovima. Gas se manje otapa u vodi nego bilo koji drugi plin, a brzina difuzije kroz čvrste tvari je tri puta veća od one u zraku. Indeks prelamanja mu je najbliži 1.
Toplotna provodljivost helijuma je na drugom mjestu nakon vodonika i njegova specifična toplota neobično visoka. Na normalnim temperaturama se zagrijava dok se širi, a ispod 40 K se hladi. Stoga, kod T<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.
Element je dielektrik osim ako nije u jonizovanom stanju. Kao i drugi plemeniti gasovi, helijum ima metastabilne energetske nivoe koji mu omogućavaju da ostane jonizovan u električnom pražnjenju kada napon ostane ispod jonizacionog potencijala.
Helijum-4 je jedinstven po tome što ima dva tečna oblika. Uobičajeni se zove helijum I i postoji na temperaturama u rasponu od tačke ključanja od 4,21 K (-268,9 °C) do oko 2,18 K (-271 °C). Ispod 2,18 K, toplotna provodljivost 4 He postaje 1000 puta veća od one u bakru. Ovaj oblik se naziva helijum II kako bi se razlikovao od normalnog oblika. Super je tečan: viskozitet je toliko nizak da se ne može izmjeriti. Helij II se širi u tanki film na površini bilo koje tvari koju dodirne, a ovaj film teče bez trenja, čak i protiv gravitacije.
Helij-3 u manjoj količini formira tri različite tekuće faze, od kojih su dvije superfluidne. Superfluidnost u 4. Otkrio ga je sovjetski fizičar sredinom 1930-ih, a isti fenomen u 3. Prvi su ga primijetili Douglas D. Osheroff, David M. Lee i Robert S. Richardson iz Sjedinjenih Država 1972. godine.
Tečna mješavina dva izotopa helijuma-3 i -4 na temperaturama ispod 0,8 K (-272,4 °C) podijeljena je u dva sloja - gotovo čisti 3 He i mješavinu 4 He sa 6% helijuma-3. Otapanje 3 He u 4 He praćeno je efektom hlađenja, koji se koristi u dizajnu kriostata u kojima temperatura helijuma pada ispod 0,01 K (-273,14 °C) i tamo se održava nekoliko dana.
Veze
U normalnim uslovima, helijum je hemijski inertan. U ekstremnim slučajevima moguće je stvoriti spojeve elemenata koji nisu stabilni na normalnim temperaturama i pritiscima. Na primjer, helijum može formirati spojeve s jodom, volframom, fluorom, fosforom i sumporom kada je izložen električnom usijanom pražnjenju bombardiranjem elektronima ili u stanju plazme. Tako su nastali HeNe, HgHe 10, WHe 2 i molekularni joni He 2 +, He 2 ++, HeH + i HeD +. Ova tehnika je takođe omogućila dobijanje neutralnih molekula He 2 i HgHe.
Plazma
Jonizovani helijum je pretežno raspoređen u svemiru, čija se svojstva značajno razlikuju od molekularnog helijuma. Njegovi elektroni i protoni nisu vezani, a ima vrlo visoku električnu provodljivost čak i u djelomično ioniziranom stanju. Na nabijene čestice snažno djeluju magnetska i električna polja. Na primjer, u solarnom vjetru, joni helijuma zajedno s joniziranim vodonikom stupaju u interakciju sa Zemljinom magnetosferom, uzrokujući sjeverno svjetlo.
Otkriće ležišta u SAD
Nakon bušenja bušotine 1903. godine u Dexteru, Kanzas, dobijen je nezapaljivi plin. U početku nije bilo poznato da sadrži helijum. Kakav je gas pronađen utvrdio je državni geolog Erazmus Havort, koji je sakupio njegove uzorke i na Univerzitetu u Kanzasu, uz pomoć hemičara Cady Hamilton i Davida McFarlanda, utvrdio da sadrži 72% azota, 15% metana, 1 % vodonika i 12% nije identifikovano. Nakon dalje analize, naučnici su otkrili da je 1,84% uzorka bilo helijum. Tako su saznali da je ovaj hemijski element prisutan u ogromnim količinama u dubinama Velikih ravnica, odakle se može izvući iz prirodnog gasa.
Industrijska proizvodnja
Time su Sjedinjene Države postale lider u svjetskoj proizvodnji helijuma. Na prijedlog Sir Richarda Threlfalla, američka mornarica je finansirala tri mala eksperimentalna postrojenja za proizvodnju ove tvari tokom Prvog svjetskog rata, s ciljem da se baloni s baražom snabdijevaju laganim, nezapaljivim gasom za podizanje. Ovim programom proizvedeno je ukupno 5.700 m 3 od 92 posto He, iako je prethodno proizvedeno samo manje od 100 litara plina. Dio ovog volumena korišten je u prvom svjetskom helijumskom dirižablju, C-7, koji je prvi put otputovao od Hampton Roadsa do Bolling Fielda 7. decembra 1921. godine.
Iako proces niskotemperaturnog ukapljivanja gasa u to vreme nije bio dovoljno razvijen da bi se pokazao značajnim tokom Prvog svetskog rata, proizvodnja je nastavljena. Helijum se prvenstveno koristio kao gas za podizanje u avionima. Potražnja za njim je porasla tokom Drugog svetskog rata kada se koristio u zaštićenom elektrolučnom zavarivanju. Element je takođe bio važan u projektu atomske bombe na Menhetnu.
Američka nacionalna zaliha
Vlada Sjedinjenih Država je 1925. godine osnovala Nacionalnu rezervu helija u Amarillu, Teksas, za snabdijevanje vojnih zračnih brodova u vrijeme rata i komercijalnih zračnih brodova u vrijeme mira. Upotreba gasa je opala nakon Drugog svetskog rata, ali je zaliha povećana 1950-ih da bi se, između ostalog, obezbedila rashladna tečnost koja se koristila u proizvodnji raketnog goriva sa kiseonikom tokom svemirske trke i Hladnog rata. Upotreba helijuma u SAD 1965. godine bila je osam puta veća od najveće ratne potrošnje.
Nakon donošenja Zakona o helijumu iz 1960. godine, Biro za rudarstvo je ugovorio 5 privatnih preduzeća za ekstrakciju ovog elementa iz prirodnog gasa. Za ovaj program izgrađen je cjevovod prirodnog gasa dužine 425 kilometara koji povezuje ova postrojenja sa djelomično iscrpljenim plinskim poljem u državnom vlasništvu u blizini Amarilla u Teksasu. Mešavina helijuma i azota je pumpana u podzemno skladište i tamo je ostala sve dok nije bila potrebna.
Do 1995. godine prikupljeno je milijardu kubnih metara rezervi, a Nacionalne rezerve su bile u dugu od 1,4 milijarde dolara, što je navelo Kongres SAD da ih postupno ukine 1996. godine. Nakon donošenja zakona o privatizaciji helijuma 1996. godine, Ministarstvo prirodnih resursa počelo je demontažu skladišta 2005. godine.
Čistoća i obim proizvodnje
Helijum proizveden prije 1945. bio je oko 98% čist, a preostalih 2% bio je dušik, što je bilo dovoljno za vazdušne brodove. Godine 1945. proizvedena je mala količina od 99,9 posto plina za korištenje u elektrolučnom zavarivanju. Do 1949. čistoća rezultirajućeg elementa dostigla je 99,995%.
Dugi niz godina Sjedinjene Države su proizvodile više od 90% komercijalnog helijuma u svijetu. Od 2004. godine proizvedeno je 140 miliona m 3 godišnje, od čega 85% dolazi iz SAD, 10% je proizvedeno u Alžiru, a ostatak u Rusiji i Poljskoj. Glavni izvori helijuma u svijetu su plinska polja u Teksasu, Oklahomi i Kanzasu.
Proces prijema
Helijum (98,2% čistoće) se odvaja od prirodnog gasa ukapljivanjem ostalih komponenti na niskim temperaturama i visokim pritiscima. Adsorpcija drugih gasova ohlađenim aktivnim ugljem omogućava postizanje čistoće od 99,995%. Mala količina helijuma se proizvodi ukapljivanjem vazduha u velikim razmerama. Od 900 tona vazduha možete dobiti oko 3,17 kubnih metara. m gasa.
Područja primjene
Plemeniti gas je našao primenu u raznim oblastima.
- Helijum, čija svojstva omogućavaju dobijanje ultraniskih temperatura, koristi se kao rashladno sredstvo u Velikom hadronskom sudaraču, supravodljivi magneti u MRI mašinama i spektrometrima nuklearne magnetne rezonance, satelitskoj opremi, kao i za ukapljivanje kiseonika i vodika u Apollu. rakete.
- Kao inertni gas za zavarivanje aluminijuma i drugih metala, u proizvodnji optičkih vlakana i poluprovodnika.
- Za stvaranje pritiska u rezervoarima goriva raketnih motora, posebno onih koji rade na tečni vodonik, jer samo gasoviti helijum zadržava agregaciono stanje kada vodonik ostane tečan);
- He-Ne se koristi za skeniranje bar kodova na blagajni supermarketa.
- Helijum jonski mikroskop daje bolje slike od elektronskog mikroskopa.
- Zbog svoje visoke propusnosti, plemeniti gas se koristi za proveru curenja, na primer u sistemima za klimatizaciju automobila, i za brzo naduvavanje vazdušnih jastuka u slučaju sudara.
- Niska gustoća vam omogućava da napunite ukrasne balone helijumom. Inertni gas zamenio je eksplozivni vodonik u vazdušnim brodovima i balonima. Na primjer, u meteorologiji se helijumski baloni koriste za podizanje mjernih instrumenata.
- U kriogenoj tehnologiji služi kao rashladno sredstvo, jer je temperatura ovog hemijskog elementa u tečnom stanju najniža moguća.
- Helijum, čija svojstva mu obezbeđuju nisku reaktivnost i rastvorljivost u vodi (i krvi), pomešan sa kiseonikom, našao je upotrebu u kompozicijama za disanje za ronjenje i rad u kesonu.
- Meteoriti i stijene analiziraju se na sadržaj ovog elementa kako bi se utvrdila njihova starost.
Helijum: svojstva elementa
Glavna fizička svojstva He su sljedeća:
- Atomski broj: 2.
- Relativna masa atoma helijuma: 4,0026.
- Tačka topljenja: ne.
- Tačka ključanja: -268,9 °C.
- Gustina (1 atm, 0 °C): 0,1785 g/p.
- Stanja oksidacije: 0.