Юрий Мухин - Россия — всадник без головы
Однако на пути к достижению конечной цели есть две большие трудности. Первая состоит в том, что гелия-3 практически нет на Земле. Он есть на Луне. Но возможно ли организовать его добычу и доставку на Землю? Насколько это экономически целесообразно?
Вторая трудность состоит в том, что на Земле пока отсутствует технология управляемого термоядерного синтеза. Задача не решена, несмотря на многолетние усилия, даже для более простой реакции синтеза на дейтерии (D) и тритии (Т). Синтез же с участием гелия-3 требует еще более жестких условий.
Прежде чем ставить сложную задачу освоения промышленного термоядерного синтеза на гелии-3, нужно оценить, насколько реальна добыча и доставка гелия-3 с Луны в необходимых количествах и каковы его запасы.
Луна, лишенная атмосферы и защитного магнитного поля, подвергается мощному облучению потоком испускаемых Солнцем легких атомов: водорода, гелия, углерода, азота и других. Этот поток, называемый солнечным ветром, попадает на поверхность Луны. Поскольку на Луне нет активных геологических процессов и круговорота веществ, находящийся на поверхности пылевидный материал, называемый реголитом, миллиарды лет накапливает частицы солнечного ветра, в том числе гелия.
Содержание гелия в реголите (лунном грунте) зависит от многих факторов. Прежде всего это — возраст реголита. Чем дольше облучается поверхность, тем больше накапливается в ней внедрившихся частиц солнечного ветра. Крупность зерен реголита также имеет значение. Слишком крупные зерна имеют малую относительную поверхность, а очень мелкие не удерживают гелий. Оптимальным является размер 20–50 микрон (0,02-0,05 мм). Концентрация гелия зависит также от минерального состава зерен реголита. Лучше всего гелий накапливается в ильмените — минерале, содержащем титан (FeTiО3). Луна богата этим минералом.
На каждый атом гелия-3 приходится 3000 атомов обычного гелия (4Не), от которого полезный гелий-3 нужно отделить. В одной тонне лунного реголита содержится в среднем всего около 10 миллиграммов ЗНе.
Чтобы добыть одну тонну гелия-3, нужно переработать 100 млн тонн лунного грунта, т. е. участок лунной поверхности площадью 20 квадратных километров на глубину 3 м.
…Зато энергетическая мощность гелия-3 огромна. Одна тонна этого вещества обеспечивает работу агрегатов мощностью 10 Гвт (Гвт — миллион киловатт) в течение года. Энергетическая мощность электростанций России составляет 215 Гвт. Иначе говоря, для обеспечения России нужно приблизительно 20 тонн гелия-3 в год. Для обеспечения современной мировой потребности потребуется около 200 т гелия-3 в год. Во второй половине XXI века эта величина, возможно, возрастет до 800-1000 т/год. Запасы гелия-3 на Луне составляют около 1 млн т. Таким образом, их хватит более чем на тысячу лет.
Одна тонна гелия-3 заменяет 20 млн тонн нефти. При современной стоимости нефти около 50 долларов за баррель стоимость 20 млн тонн нефти составляет 10 млрд долларов. Это и есть современная цена одной тонны гелия-3.
Транспортировка одного килограмма груза на траектории Земля — Луна — Земля составляет сегодня приблизительно 20–40 тыс. долларов. Чтобы перевезти одну тонну гелия-3, придется перевозить две-пять тонн сопровождающего груза в виде контейнеров, охлаждающего оборудования и т. д. Таким образом, перевоз с Луны одной тонны гелия-3 обойдется в 100 млн долларов. Кажется, огромная сумма. Но это всего лишь 1 % того, что стоит энергия, которую одна тонна гелия-3 может обеспечить на Земле.
Для того чтобы организовать добычу ЗНе на Луне в промышленных масштабах, потребуется развернуть на Луне целую индустрию. Во-первых, придется вскрыть и переработать лунный грунт на площади в сотни квадратных километров. Затем выделить гелий из реголита при температуре 600–800 °C. Из выделенного гелия нужно методами изотопного фракционирования получить чистый изотоп ЗНе. Из каждого килограмма гелия можно получить максимум 0,3 грамма ЗНе.
Гелий-3 для целей транспортировки придется сжижать. С процессом сжижения и хранения жидкого гелия неизбежно связаны потери. Понятно, что первоначальные затраты, связанные с завозом оборудования, развертыванием лунной базы и организацией крупномасштабной добычи, будут велики. В то же время следует учесть, что в инженерном отношении все эти процедуры хорошо известны и достаточно просты. Гелий заключен в сорбированном состоянии в рыхлом грунте, залегающем на самой поверхности. Поэтому после создания необходимого производства расходы на добычу и эксплуатацию соответствующей инфраструктуры должны быть умеренными.
Добыча гелия-3 неизбежно вызывает к жизни целый ряд сопряженных производств. При переработке грунта и десорбции гелия выделяться будет не только гелий, но в еще больших объемах другие элементы, в том числе водород и углерод. Нетрудно также наладить производство кислорода из силикатов. Это значит, что непосредственно на Луне можно организовать производство топлива и окислителя для ракет-носителей.
Лунный грунт богат титаном. Выплавка титана позволит производить тяжелые элементы конструкции и корпусов ракет прямо на Луне. С Земли придется доставлять только высокотехнологичные элементы. Необходимая для жизнедеятельности людей и некоторых технологических процессов вода также может производиться на Луне.
Развертывание постоянных лунных баз позволит использовать пребывание человека на Луне не только для добычи гелия-3, но и для других целей. Луна — самый экономичный космодром, который сделает доступным крупномасштабное исследование
Солнечной системы. На Луне могут и должны быть развернуты системы контроля астероидной опасности, мониторинга и раннего предупреждения катастрофических явлений и событий на Земле, исследования дальнего космоса и многое другое, что сейчас даже трудно представить.
Что для реализации всего этого нужно сделать?
Прежде всего нужно осознать, что нехватка энергии в ближайшие десятилетия — это реальная проблема для всех жителей Земли, от которой не спрятаться, не уйти. Во-вторых, по- видимому, единственным тотальным и долговременным решением ее, одновременно удовлетворяющим условиям энергетической эффективности и экологической безопасности, является термоядерный синтез на основе использования гелия-3. В-третьих, освоение этого источника энергии — это не очередной проект, который можно решать между делом. Речь идет о гигантской промышленной революции, полное осуществление которой займет, может быть, целое столетие.
Несмотря на все эти перспективы, приходится признать тот факт, что пока мы еще очень далеки от возможности их реализации. Когда можно ожидать построения установок термоядерного синтеза на гелии-3? По данным из американских источников, возможно, уже через 15–20 лет, если на этом будут сфокусированы усилия общества и соответствующие инвестиции. Возможно, решение нужно искать на пути синтеза с инерционным удержанием плазмы, а не магнитным удержанием, которое используется в ТОКАМАКах и заложено в основу проекта ИТЭР. Некоторые успешные эксперименты с использованием лазеров и инерционным удержанием уже проведены в США.
Ясно, что гелий-3 понадобится возить с Луны не раньше, чем лет через двадцать. Но для того, чтобы привезти с Луны первую тонну гелия-3, нужно проделать грандиозную работу. Как всегда, когда приступают к разработке какого-либо вида минерального сырья, нужно начать с геологоразведочных работ. Они включают картирование поверхности Луны, выявление и оконтуривание участков с максимальным содержанием полезных компонентов, оценку удобства их эксплуатации. Эта работа должна сопровождаться исследованием геологического строения Луны, выявлением ресурсов для развития локального производства. В том числе большое значение имеет решение вопроса о наличии воды на Луне. Вода в замороженном состоянии может присутствовать в затененных кратерах на полюсах Луны. Свидетельства к этому имеются. Необходима организация экспедиций и исследование образцов с этих участков Луны.
Следующий шаг — проведение экспериментальных вскрышных работ и работ по десорбции летучих элементов из реголита в условиях Луны. Далее — обустройство лунной базы. Проектирование и испытание устройств, предназначенных для производства гелия-3. Для того чтобы обеспечить только подготовительную стадию работ, понадобится доставить на Луну сотни тонн машин и материалов. Интенсивность полетов на трассе Земля-Луна должна составить несколько запусков в год. Сегодня у нас в программе только один запуск аппарата «Луна-Глоб», запланированный на 2012 год.
Страна, которая опередит другие в освоении Луны, станет лидером в мировой экономике. У России есть уникальные шансы. Мы имеем космическую индустрию и опыт освоения Луны автоматическими космическими аппаратами. Мы имеем развитую ядерную физику и атомную энергетику. За счет добычи нефти и газа страна получила огромные деньги, которые без риска дестабилизировать финансовую ситуацию можно вложить только в наукоемкие высокие технологии. Разумно направить эти деньги на проект, имеющий целью замещение их источника».
