От энергетического голода человечество спасет только гелий-3, который буквально покрывает поверхность спутника Земли

Всего через двадцать лет, по мнению некоторых российских и американских экспертов, человечество сможет начать экономическую эксплуатацию Луны. В первую очередь естественный спутник Земли рассматривается как большая природная кладовая, из которой человечество сможет черпать сырье для энергетики на протяжении многих тысяч лет.

Уже к 1990-м годам стало очевидно, что кризис углеводородной энергетики неизбежно разразится еще до середины двадцать первого столетия в связи с исчерпанием природных ресурсов нефти и газа, которые занимают сегодня 60-80% в энергобалансе большинства стран. Сегодня в мире на одного человека приходится 2 кВт производственных энергетических мощностей. Однако этот показатель будет неуклонно подтягиваться к сегодняшнему американскому стандарту – более 10 кВт на душу. Эксперты Всемирного банка полагают, что это может повлечь 9-кратный рост энергопотребления в мире к конце текущего столетия. По их прогнозу, даже к этому сроку все вместе взятые альтернативные источники будут покрывать не более десятой части потребности человечества в энергии. Получается, что заменить нефть в мировой энергетике через несколько десятилетий сможет только управляемый термоядерный синтез. Пока альтернативы ему ученые не видят. Конечно, на Земле имеются достаточные запасы урана, однако у АЭС относительно низкий КПД. Кроме того, они несут угрозу радиоактивного загрязнения. Подчинение термоядерной энергии мирным задачам своей главной задачей еще в 1950-х годах обозначил один из авторов советской водородной бомбы академик Андрей Сахаров. Но эта большая мечта так и осталась нереализованной.

ФИЗИКА БЕЗОПАСНОСТИ БЕЗНЕЙРОННЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Какое же топливо идеально для термоядерной электростанции? «Возрастание массы ядер потребует значительного увеличения температуры, при которой начинается синтез. Поэтому практическое значение может иметь только синтез с участием самых легких ядер», - поясняет директор Института ядерного синтеза, председатель ученого совета Курчатовского центра Валентин Смирнов. Поэтому сегодня наиболее близка к требованиям промышленного использования реакция дейтерий — гелий-3. В результате этой реакции выделяются не нейтроны, а положительно заряженные протоны и инертный гелий-4. Плюсы применения гелия-3 в электростанциях весьма существенны: исходное сырье и продукты реакции, в отличие от вариантов с другим сырьем, не обладают радиоактивностью. А, кроме того, идет прямое преобразование энергии реакции в электрическую минуя тепловой цикл превращения воды в пар с присущими ему потерями, снижающими КПД станции. Ведь продукты реакции (протоны и ядра гелия) можно тормозить в электрическом поле и напрямую возбуждать ток в нагрузке. В результате КПД гелиевой электростанции будет как минимум вдвое больше, чем у сегодняшних атомных станций, у которых этот показатель не превышает планку в 30%.

Еще один плюс – экономия на системах защиты. В случае выхода термоядерной реакции из-под контроля человека, температура реакции в силу законов физики неизбежно упадет в миллиардные доли секунды, и реакция прекратится сама собой. Таким образом, термоядерный реактор даже теоретически не сможет превратиться в водородную бомбу: «в худшем случае оплавится верхний слой металлических стенок реактора на глубину до 1 миллиметра, но и для этого требуется очень редкое стечение неблагоприятных факторов», - говорит Валентин Смирнов. Таким образом, термоядерная электростанция будет куда безопаснее атомной, не говоря о том, что отсутствие огромных расходов на эксплуатацию многоуровневых систем защиты сделает их более дешевыми по сравнению с АЭС.



Остается решить вопрос с поставкой сырья. Где же можно недорого взять гелий-3? Ученые полагают, что часть гелия могла возникнуть во время Большого взрыва, однако его большая часть образуется из дейтерия во время термоядерного синтеза на звездах. Поэтому практически весь доступный нам гелий-3 произведен на Солнце. Впрочем, лететь за ним на само светило отнюдь не обязательно – вместе с другими элементами потенциальное сырье для электростанций разносит солнечный ветер. Вот только на Земле этого изотопа крайне мало, всего несколько сот килограмм, что делает невозможным промышленную эксплуатацию «домашнего» сырья. Самая близкая к нам кладовая этого вещества – Луна. Гелий-3 в виде мелких частиц льда распределен на ее поверхности почти равномерно, однако в районах «лунных морей» его концентрация превышает средние показатели в 5 раз, говорит директор Института геохимии и аналитической химии (ГЕОХИ) им. В.И. Вернадского РАН Эрик Галимов. Здесь его и стоит добывать.

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
По подсчетам ученого, одна тонна этого вещества даст такое же количество энергии, какое можно получить при сжигании 20 миллионов тонн (!) нефти. Стоимость такого количества «черного золота» по сегодняшним ценам составляет примерно 10 миллиардов долларов. Одна тонна гелия-3 гарантированно загрузит работой в течение года термоядерную электростанцию мощностью 10 ГВт. При этом суммарная мощность электростанций России равна 215 ГВт, так что получается, что для обеспечения энергетических потребностей нашей страны потребуется всего около 20 т гелия-3 в год, а вся мировая электроэнергетика потребит около 200 тонн это сырья за год работы. Выходит, что нескольких запусков транспортных космических кораблей в год полностью хватило бы, чтобы обеспечить сырьем все электростанции России.

А, чтобы покрыть все энергозатраты человечества во второй половине этого века, потребуется доставка с Луны не менее 800-1000 тонн гелия-3 ежегодно. Сегодня запасы этого сырья только в верхних слоях естественного спутника Земли оцениваются примерно в 500 миллион тонн, таким образом, даже с учетом быстрого роста энергопотребления, полночное светило сможет снабжать человечество теплом и энергией 15 тысяч лет. А это куда больше, чем история отвела нефтяной эре.

Добыча не будет легкой – одна тонна перспективного для переработки грунта содержит всего 10 миллиграмм гелия-3. При этом его предстоит отделить от обычного гелия-4, концентрация которого в 3 тысячи раз выше. Иными словами, говорит Эрик Галимов, чтобы добыть 1 тонну гелия-3, нужно переработать 100 миллионов тонн лунного грунта, то есть участок ее поверхности площадью 20 квадратных километров на глубину 3 метров! При этом доставка на Землю 1 тонны легкого изотопа гелия с Луны обойдется не дешевле 100 миллионов долларов. Однако фактически эта огромная сумма составляет всего лишь 1% стоимости энергии, которую можно будет извлечь из привезенного сырья на термоядерной электростанции на Земле.

По расчетам американского астронавта Харрисона Шмитта использование гелия-3 в земной энергетике, учитывая все расходы на его добычу и доставку, становится коммерчески выгодным, когда производство термоядерной энергии с использованием этого сырья превысит мощность 5 ГВт. Фактически это означает, что уже одна электростанция на лунном топливе сделает его добычу и транспортировку рентабельной. По оценке Шмитта, предварительные расходы на стадии исследований обойдутся примерно в 15 млрд долларов.

По словам Эрика Галимова, чтобы организовать добычу гелия-3 из лунного грунта, реголит необходимо нагреть до температуры 700 градусов Цельсия, после чего можно будет сжижать и извлекать нужный изотоп. Технологически все эти процедуры хорошо известны и достаточно просты. Ученый предлагает нагревать сырье в «солнечных печах», которые с помощью больших вогнутых зеркал будут фокусировать солнечный свет на реголите. При этом из грунта могут быть выделены содержащиеся в нем водород, кислород и азот. Таким образом, лунная промышленность могла бы производить не только сырье для земной энергетики, но и топливо для перевозящих его ракет, а также воду и воздух для работающих на этих предприятиях людей. Американцы также разрабатывают аналогичные проекты. Харрисон Шмитт даже спроектировал специальный лунный комбайн для добычи гелия-3 под названием «Mark-III».

Но и это не все! В реголите очень много титана, что в перспективе позволит наладить выпуск элементы промышленных конструкций и корпусов ракет прямо на Луне. В этом случае с Земли придется доставлять только высокотехнологичные элементы ракет, приборы и компьютеры. Это открывает второе перспективное направление лунной экономики – строительство самого экономичного космодрома, базы для исследования Солнечной системы, космоса и грозящих Земле угроз. Так, в 2029 году близ Земли пролетит астероид Апофис диаметром до 700 метров, а в 2036 году теоретически не исключено его столкновение с нашей планетой.

КТО СТАНЕТ МИРОВЫМ ЛИДЕРОМ?
Валентин Смирнов обращает внимание на то, что, в случае если гелиевая энергетика начнет работать, резко изменится не только энергетическая карта планеты (страны - поставщики и потребители энергоносителей), но и вся мировая табель о рангах. Государствами первого ряда станут страны, обладающие собственными технологиями строительства термоядерных реакторов и имеющие независимую транспортную систему для добычи и доставки сырья на Землю. Эти два ключевых аспекта обуславливают, по словам ученого, то, что круг лидирующих стран будет довольно узок, а разница между гелиевыми державами и негелиевыми будет куда больше, чем существовавшая в начале атомной эры дистанция между ядерными и неядерными странами. Это означает закрепление статуса сверхдержавы или центра силы (экономического, военного, политического) на долгий срок. «По сути, мы стоим на самом пороге огромной технической революции, которая займет все двадцать первое столетие и навсегда перевернет жизнь человечества. Страна, которая опередит другие в освоении Луны, станет лидером в мировой экономике», – говорит Эрик Галимов.

Американцы одними из первых осознали эти перспективы. Они вышли из проекта ИТЭР и строят собственную независимую транспортную систему на Луну. Таким образом, США намерены выстроить свою систему энергетической безопасности, основанную на строительстве собственных термоядерных реакторов и обеспечении их собственным сырьем. Сторонники добычи гелия на Луне заняли ключевые посты в консультативном совете НАСА. Его председателем является доктор Харрисон Шмитт, а поддержку ему оказывает член совета профессор Джералд Калсински. Профессор разработал опытные установки в Висконсинском университете на основе нового принципа удержания плазмы в реакторе, на которых много раз успешно произвел синтез дейтерий-гелий-3. Как заявляет Калсински, все принципиальные трудности для построения промышленного гелиевого реактора устранены, и необходимо решить только инженерные проблемы. По его словам, необходимо 6–8 миллиардов долларов и 10–15 лет работ, чтобы построить первый термоядерный реактор, дающий энергию. Сотрудник лаборатории университета Висконсина Джон Сантариус пишет, что «гелий-3 – это будущее американской энергетики, ведь в нем содержится вся энергия, которая может понадобиться США в следующем тысячелетии».

Несмотря на то, что подготовка к освоению Луны и отработка управляемого синтеза с участием гелия-3 практически начались, пока ни Россия ни Америка не обсуждают проблему раздела лунной территории для промышленного освоения. «Распространявшиеся ранее сертификаты о покупке участков лунной территории едва ли будут иметь юридическую силу. Кто первый прилетит и вобьет колышки, тот и владелец», – предсказал экс-президент РКК «Энергия» Николай Севастьянов. С учетом того, что самые перспективные участки – лунные «моря», вопрос о дележе участков богатого гелием-3 реголита может стать очень острым – колышки забить дело не долгое.