Udvinding af månen

Ved det 21. århundredes start ville få have forudsagt, at i 2007 ville et andet kapløb om månen være på vej. Alligevel er tegnene, at det nu er tilfældet. Ydermere, i dagens månekapløb, i modsætning til det, der fandt sted mellem USA og U.S.S.R. i 1960'erne, konkurrerer en komplet liste af det 21. århundredes globale magter, inklusive Kina og Indien.

Varme gasser: Forskere ved University of Wisconsin-Madisons Fusion Technology Institute tester denne fusionsreaktor, vist med udsigt til nettet, hvor intern elektrostatisk indeslutning finder sted.

Endnu mere overraskende er, at en grund til en stor del af interessen ser ud til at være planerne om at udvinde helium-3 - angiveligt et ideelt brændstof til fusionsreaktorer, men næsten utilgængeligt på Jorden - fra månens overflade. NASA's Vision for Space Exploration har amerikanske astronauter planlagt til at være tilbage på månen i 2020 og permanent bemande en base der i 2024. Mens den amerikanske rumfartsorganisation hverken har annonceret eller afvist noget ønske om at udvinde helium-3, har det ikke desto mindre placeret fortalere for minedrift af He3 i indflydelsesrige positioner. Rusland hævder på sin side, at målet med ethvert måneprogram for sig selv - for hvad det er værd, raketselskabet Energi for nylig begyndt at sprænge, ​​sovjetisk stil, at det vil bygge en permanent månebase i 2015-2020 – vil udvinde He3.

Også kineserne tror tilsyneladende, at helium-3 fra månen kan muliggøre fusionsplanter på Jorden. Til efteråret forventer Folkerepublikken at kredse om en satellit omkring månen og derefter lande et ubemandet køretøj der i 2011.

Indien har heller ikke tænkt sig at blive udeladt. (Se Indiens rumambitioner svæver i vejret.) Det sidste forår har dets præsident, A.P.J. Kalam og dets premierminister, Manmohan Singh, holdt store taler og hævdede, at udover at bygge gigantiske solfangere i kredsløb og på månen, har verdens største demokrati også til hensigt at udvinde He3 fra månens overflade. Indiens undersøgelse, Chandrayaan-1 , starter næste år, og ISRO, den indiske rumforskningsorganisation, taler om at sende Chandrayaan-2 , en overfladerover, i 2010 eller 2011. Samtidig larmer Japan og Tyskland også om at lancere deres egne månemissioner omkring det tidspunkt og taler om muligheden for at udvinde He3 og bringe det tilbage til brændstof til fusionsbaserede atomreaktorer på Jorden.

Kunne He3 fra månen virkelig være en gennemførlig løsning på vores strømbehov på Jorden? Praktisk nuklear fusion forventes i dag at være fem årtier tilbage – den samme forudsigelse, som blev fremsat på 1958 Atoms for Peace-konferencen i Bruxelles. Hvis fusionskraftens ankomstdato konstant har været 50 år væk siden 1958, hvorfor skulle helium-3 pludselig gøre fusionskraft mere gennemførlig?

Fortalere for He3-baseret fusion peger på, at de nuværende bestræbelser på at udvikle fusionsbaseret elproduktion, som f. ITER megaprojekt, bruge deuterium-tritium brændselskredsløbet, hvilket er problematisk. (Se International Fusion Research .) Deuterium og tritium er begge brintisotoper, og når de er smeltet sammen i et overophedet plasma, samles to kerner for at skabe en heliumkerne – bestående af to protoner og to neutroner – og en højenergi neutron . En deuterium-tritium-fusionsreaktion frigiver 80 procent af sin energi i en strøm af højenergi-neutroner, som er yderst ødelæggende for alt, hvad de rammer, inklusive en reaktors indeslutningsbeholder. Da tritium er meget radioaktivt, gør det indeslutning til et stort problem, da strukturer svækkes og skal udskiftes. Uanset hvilke materialer, der anvendes i et deuterium-tritium-fusionskraftværk, vil det således skulle tåle alvorlig straf. Og hvis det er muligt, når den fusionsreaktor i sidste ende nedlægges, vil der stadig være en masse radioaktivt affald.

Helium-3-fortalere hævder, at det omvendt ville være ikke-radioaktivt og undgå alle disse problemer. Men en seriøs kritiker har anklaget, at He3-baseret fusion i virkeligheden ikke engang er en mulig mulighed. I augustnummeret af Fysik verden , teoretisk fysiker Frank Close, ved Oxford i Storbritannien, har udgivet en artikel kaldet Frygt over fakta hvor han blandt andet opsummerer nogle påstande fra helium-aficionados, og afviser derefter disse påstande som i det væsentlige fantasi.

Close påpeger, at i en tokamak - en maskine, der genererer et doughnut-formet magnetfelt for at begrænse de overophedede plasmaer, der er nødvendige for fusion - reagerer deuterium op til 100 gange langsommere med helium-3, end det gør med tritium. I et plasma indeholdt i en tokamak, spænder Close, bliver alle kernerne i brændstoffet blandet sammen, så det mest sandsynlige er, at to deuteriumkerner hurtigt vil smelte sammen og producere en tritiumkerne og proton. Det tritium vil til gengæld sandsynligvis smelte sammen med deuterium og til sidst give et helium-4-atom og en neutron. Kort sagt, siger Close, hvis helium-3 udvindes fra månen og bringes til Jorden, i en standard tokamak vil det endelige resultat stadig være deuterium-tritium-fusion.

For det andet afviser Close påstanden om, at to helium-3 kerner realistisk kunne bringes til at fusionere med hinanden for at producere deuterium, en alfapartikel og energi. Denne reaktion sker endnu langsommere end deuterium-tritium-fusion, og brændstoffet skulle opvarmes til upraktisk høje temperaturer - seks gange varmen fra solens indre, ifølge nogle beregninger - som ville være uden for rækkevidde af enhver tokamak. Derfor, konkluderer Close, er månehelium-3-historien, efter min mening, måneskin.

Closes indvending antager dog, at deuterium-helium-3-fusion og ren helium-3-fusion ville finde sted i tokamak-baserede reaktorer. Der kan være alternativer: f.eks. Gerald Kulcinski , en professor i nuklear ingeniørvidenskab ved University of Wisconsin-Madison, har opretholdt den eneste helium-3-fusionsreaktor i verden på et årligt budget, der knap er sekscifret.

Kulcinskis He3-baserede fusionsreaktor, der er placeret i Fusion Technology Institute ved University of Wisconsin, er meget lille. Når den kører, indeholder den et sfærisk plasma på cirka 10 centimeter i diameter, der kan producere vedvarende fusion med 200 millioner reaktioner i sekundet. For at producere en milliwatt strøm bruger reaktoren desværre en kilowatt. Closes svar er derfor gyldigt nok: Når praktisk fusion sker med en demonstreret nettoeffekt, kan jeg – og verdens fusionssamfund – tage det til efterretning.

Alligevel gælder den kritik lige så meget for ITER og den tokamak-baserede reaktorindsats, som heller ikke endnu har opnået break-even (det punkt, hvor en fusionsreaktor producerer lige så meget energi, som den forbruger). Det væsentlige ved reaktoren i Wisconsin er, at vi, som Kulcinski siger, udfører både deuterium-He3- og He3-He3-reaktioner. Vi kører dagligt deuterium-He3 fusionsreaktioner, så den reaktion er vi meget fortrolige med. Vi laver også He3-He3, for hvis vi kan kontrollere det, vil det have et enormt potentiale.

Reaktoren på Fusion Technology Institute bruger en teknologi kaldet inerti elektrostatisk indeslutning (IEC). Kulcinski forklarer: Hvis vi brugte en tokamak til at lave deuterium-helium-3, skulle den være større end ITER-enheden, som allerede strækker grænserne for troværdighed. Vores IEC-enheder er på den anden side i bordpladestørrelse, og under vores deuterium-He3-kørsler får vi nogle neutroner produceret ved sidereaktion med deuterium. Ikke desto mindre fortsætter Kulcinski, når der opstår sidereaktioner, der involverer to deuteriumkerner, der smelter sammen for at producere en tritiumkerne og proton, er det producerede tritium på et så højere energiniveau end indeslutningssystemet, at det straks slipper ud. Derfor er radioaktiviteten i vores deuterium-He3-system kun 2 procent af radioaktiviteten i et deuterium-tritium-system.

Mere betydningsfuld er He3-He3-fusionsreaktionen, som Kulcinski og hans assistenter producerer med deres IEC-baserede reaktor. I Kulcinskis reaktor smelter to helium-3-kerner, hver med to protoner og en neutron, i stedet sammen for at producere en helium-4-kerne, bestående af to protoner og to neutroner og to højenergiske protoner.

He3-He3 er ikke en nem reaktion at fremme, siger Kulcinski. Men He3-He3 fusion har det største potentiale. Det skyldes, at helium-3, i modsætning til tritium, er ikke-radioaktiv, hvilket for det første betyder, at Kulcinskis reaktor ikke har brug for den massive indeslutningsbeholder, som deuterium-tritium-fusion kræver. For det andet har de protoner, det producerer - i modsætning til neutronerne produceret af deuterium-tritium-reaktioner - ladninger og kan indesluttes ved hjælp af elektriske og magnetiske felter, hvilket igen resulterer i direkte elproduktion. Kulcinski siger, at en af ​​hans kandidatassistenter ved Fusion Technology Institute arbejder på en solid state-enhed til at fange protonerne og omdanne deres energi direkte til elektricitet.

Alligevel beviser Kulcinskis reaktor kun den teoretiske gennemførlighed og fordele ved He3-He3-fusion, med kommerciel levedygtighed, der ligger årtier ude i fremtiden. I øjeblikket, siger han, vil Energiministeriet fortælle os: 'Vi får fusion til at fungere. Men du kommer aldrig tilbage til månen, og det er den eneste måde, du får enorme mængder helium-3 på. Så glem det.’ I mellemtiden fortæller NASA-folkene os: ’Vi kan få helium-3. Men du vil aldrig få fusion til at fungere.’ Så DOE mener ikke, at NASA kan udføre sit arbejde, NASA mener ikke, at DOE kan gøre sit arbejde, og vi forsøger ind imellem at få de to til at arbejde sammen. Lige nu kommer Kulcinskis finansiering fra to velhavende personer, som, siger han, kun er interesserede i forskningen og uden forventning om økonomisk overskud.

Alt i alt er helium-3 det ikke den lavthængende frugt blandt potentielle brændstoffer for at skabe praktisk fusionskraft, og det er en, som vi bliver nødt til at nå til månen for at plukke. Når det er sagt, hvis ren He3-baseret fusionskraft er realiserbar, ville det have enorme fordele.

skjule