Praktischer Lunar He-3-Mining-Ansatz?

Nun, wir haben noch nicht den eigentlichen Beweis dafür, dass es eine "Fülle" von ³ He ( Helium-3 ) gibt, die in den Mondregolith eingebettet ist , die jeden "Bergbau" unserer Mühe wert machen würde. Alles, was wir bisher haben, ist der Hinweis darauf, dass dies durch die Spuren von ^{3 He gezeigt werden könnte, die in den Regolith-Proben entdeckt wurden, die von den} Apollo -Missionen entnommen wurden . ^{Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass 3} He zwischen 1 ppm und 50 ppm (Teile pro Million) in den Regolith des Mondes eingebettet sein könnte, und obwohl dies nicht viel erscheinen mag, könnte es, wenn es stimmt, eine Ausbeutung möglich machen. Natürlich gilt: je höher ppm, desto besser.

Ich muss hier hinzufügen, dass die Apollo-Probenahme von Mond-Regolith wohl nicht der beste Hinweis auf die darin eingebetteten ³ He-Konzentrationen ist, da ein Großteil des an der Oberfläche eingeschlossenen ³ He wahrscheinlich aufgrund mechanischer Störungen und elektrostatischer Entladung entkommen würde, wenn Apollo-Missionen es beprobten durch Bohren. Aber es ist ein besserer Repräsentant dafür, wie viel von ³ He im obersten Mondgrundgestein enthalten ist, wobei Apollo 11 den besten Erfolg bei der Landung in der Region Mare Tranquillitatis hatte, die reich an TiO ₂ (Titandioxid) ist. Oberflächen mit elektrisch leitenden metallischen Mineralien scheinen die besten, ³ He-reichen ⁽¹⁾ Kandidatenregionen zu sein, die für den Oberflächenabbau auf dem Mond geeignet sind, zusätzlich zu den permanent beschatteten Polarregionen auf dem Mond⁽²⁾ .

Was dieses seltene Isotop so verlockend macht, ist die darin gespeicherte Energie, wenn zwei von ^{3 He-Atomen, die in einem überhitzten Plasma gekoppelt sind, in zwei Protonen und ein 4} He (Helium-4) Alpha-Teilchen zerfallen :

$$\require{mhchem}\ce{^3_2He + ^3_2He \to ^4_2He + 2\!^1_1p^+ + } \text{12.86 MeV}$$

Dies ist die Energiedichte in Megaelektronenvolt pro Mol ( 3 Gramm) von ³ He-Plasma, die vom Helium-3-Fusionsreaktor der dritten Generation erreicht wurde, der von Gerald Kulcinski an der University of Wisconsin entwickelt wurde. Dies ist eine Reaktion, die sehr viel Energie und gleichzeitig sehr wenig schädliches Nebenprodukt produziert. Fusionsgeneratoren der zweiten Generation erzeugen mehr Energie pro Brennstoffmasse, wobei Wikipedia sie im Bereich von 18 MeV (493 Megawattstunden oder 4,93 × 10 ⁸ W·h) pro Mol ³ He angibt, aber sie benötigen Deuterium ($\ce{^2_1H}$), was es für die direkte Umwandlung von ³ He-Ressourcen auf dem Mond weniger geeignet macht.

So weit so gut, zumindest was den tatsächlichen Nutzen von ³ He betrifft. Aber wie ich bereits erwähnt habe, haben wir keine direkten Beweise für abbaubare Mengen von ³ He im Mond-Regolith, und alle aktuellen Beweise sind bestenfalls indirekt. Die Theorie hinter seiner Entstehung scheint jedoch solide genug zu sein.

Während ³ He nicht leicht Plasma bildet und enorme Temperaturen erforderlich sind, damit die beiden ³ He-Atome genug kinetische Energie haben, um sich zu koppeln und in einem Plasmazustand zu bleiben, haben wir ein bisschen Glück, dass, wie es einfach so ist, unsere Sonne macht das wirklich gut, und die wichtigsten natürlichen und erneuerbaren Quellen von ³ He stammen aus solaren koronalen Massenauswürfen (CME) und Sonnenwind. Da der Sonnenwind Geschwindigkeiten von bis zu 900 Kilometern pro Sekunde erreichen kann und nichts ihn auf seinem Weg zur Mondoberfläche aufhält, ist dieser ³He-Plasma kann sich in die ziemlich dicke Schicht aus Mondstaub einbetten (Proben aus bis zu 1 m Tiefe wurden von Apollo-Missionen geborgen, die auch Spuren davon zurückhielten), und die Mondoberfläche wird auch von Asteroiden bombardiert, die ³ He möglicherweise noch tiefer einbetten würden .

Ein weiterer Punkt für ein mögliches Verweilen von ³ He im Regolith des Mondes ist, dass es auf der Mondoberfläche keine Atmosphäre gibt, die dicht genug ist, um das aufrechtzuerhalten, was wir als normales Verhalten von Molekülen in Gasen betrachten würden – häufig kollidieren sie im angeregten Zustand miteinander . Diese ausreichend dünne Atmosphäre, die dieses Verhalten von Gasen nicht unterstützt, wird als Exosphäre bezeichnet . Der Punkt ist, dass sie nicht genug atmosphärischen Druck bilden, um auf atomarer Ebene leichtere und weniger dichte Gase nach oben zu drücken, verdrängt durch dichtere und schwerere Gase (wie wir es auf der Erde erwarten würden). Es gibt auch kein nennenswertes Wetter, außer dem Sonnenwetter, aber dieses soll, wie wir bereits sagten, mehr ^{3 bringen}Er mit ihm, nicht das wegblasen, was bereits in den Regolith eingebettet ist. Nun, möglicherweise beides, aber die eingebettete Gesamtmenge sollte mindestens gleich bleiben, wenn nicht größer als zuvor.

Wie lange dieses ³ He auf der Mondoberfläche enthalten ist, ist jedoch unbekannt, und obwohl es einige funktionierende Theorien gibt, müssen wir wahrscheinlich auf weitere Daten warten, die vom chinesischen Chang'e-Programm oder sogar von LADEE (Lunar Atmosphere and Dust) der NASA zurückgegeben werden Environment Explorer), das gerade gestartet wurde (zum Zeitpunkt des Schreibens dieser Antwort) und auf dem Weg zu einer etwa 100-tägigen Mission ist, um die Mond- Exosphäre und die staubige Umgebung zu untersuchen. Mein Geld liegt auf der vorübergehenden Eindämmung des ³ He-Plasmas durch die elektrostatische Ladung, die es beim Aufprall auf den Regolith an der Oberfläche erzeugt, und dass nicht genug Druck vorhanden ist, um es schneller zu verdrängen, als es wieder aufgefüllt wird, aber das ist bestenfalls eine etwas fundierte Annahme.

³ He im Plasmazustand ist bisher am einfachsten mit Tokamak -Geräten einzudämmen, die Magnetfelder verwenden, um Plasma einzuschließen, aber Kulcinski schlug den Inertial Electrostatic Confinement (IEC)-Reaktor vor, der es eindämmen und gleichzeitig die Helium-3-Fusion aufrechterhalten kann ^{(3 )} . Er glaubt, dass er die durch diese Reaktionen erzeugte Energie besser sammeln kann, indem er einen umgekehrten Teilchenbeschleuniger verwendet, der die Energie direkt in Elektrizität umwandeln kann, ohne dass eine Turbine gedreht werden muss.

   

   ^{Inertial Electrostatic Confinement Reactor (IEC), der Helium-3-Plasma enthält und es in El umwandelt. Energie (Quelle: U. of Wisconsin )}

Um deine Fragen direkter zu beantworten:

• Wie soll das He-3 im Mondboden enthalten sein – nicht gleich nach seiner Entstehung in den Weltraum entweichen? Wie könnte die Ernte durchgeführt werden, wenn man bedenkt, dass große Mengen Mondboden verarbeitet werden müssen?
  
  Ich habe bereits eine der Eindämmungsmethoden beschrieben - die ³Das He-Plasma ist im elektrostatisch aufgeladenen Regolith des Mondes enthalten, überwiegend feinkörniger Staub, da es sich auflädt, wenn CME und Sonnenwindpartikel darauf treffen. Es gibt jedoch noch einen weiteren Punkt. Die Mond-"Atmosphäre" verhält sich nicht wirklich wie Gas, da sie viel zu dünn ist und ihre molekulare Dichte bedeutet, dass die Moleküle selbst in ihrem angeregten Zustand selten aufeinander treffen. Das ist der Hauptunterschied zwischen einer Atmosphäre und dem, was wir Exosphäre nennen – was Luna hat. Dies bedeutet, dass es nicht genug Druck auf die ansonsten in der Atmosphäre befindlichen leichteren Gase gibt, die von ihren schwereren Brüdern leicht nach oben gedrückt werden (aufgrund der Schwerkraft). Wenn diese Gase also in der Exosphäre leicht sind , werden sie nicht von schwereren Gasen weggedrückt und bleiben länger an der Oberfläche.

• Wie könnte es verfeinert werden – von anderen Elementen getrennt werden, insbesondere von relativ häufig vorkommendem He-4?
  
  Denken Sie an den letzten Punkt, wahrscheinlich relativ einfach. Ein Weg wäre der passive Ansatz, obere Schichten von Mond-Regolith in Behältern mit einem höheren, wahren Atmosphärendruck einzufangen und einfach die Oberseite abzustreifen (es gibt immer noch eine gewisse Schwerkraft auf dem Mond, was "oben" und "unten" eindeutig macht, und ³ Er würde zu den leichtesten Molekülen gehören), und dann den Vorgang so lange wiederholen, bis die erforderliche Reinheit erreicht ist. Ein anderer Ansatz, der aktive , besteht darin, Zentrifugensysteme zu verwenden, um Moleküle unterschiedlicher Atommasse zu trennen, und dann abzusaugen ³Er kam irgendwo in der Nähe des Zentrums heraus. Dieser Ansatz würde auch unter Mikrogravitationsbedingungen funktionieren. Ein weiterer üblicher Weg, dies zu tun, ist die Mikrofiltration oder die Eindämmung von Magnetfeldern mit Tokamak - Geräten.

• Könnte die Mondindustrie nach der Bauphase selbsttragend mit lokal abgebautem He-3 betrieben werden (… nun, so nachhaltig wie unerschöpflich seine Vorkommen sind), oder müssten andere Ressourcen kontinuierlich von der Erde geliefert werden?
  
  Durch die Verwendung von Fusionsreaktoren der dritten Generation, die keine Isotope von Wasserstoff (Deuterium und Tritium ) benötigen $\ce{^3_1H}$) und ausschließlich von erneuerbaren Ressourcen abhängen, die auf dem Mond und seinem Regolith verfügbar sind, dann können wir diesen Prozess definitiv als selbsterhaltend betrachten.

All dies hängt natürlich nicht ohne Weiteres von der Menge an ³ He (im Bereich von Teilen pro Million) auf der Mondoberfläche ab. Allerdings werden Taschen mit ³ He-Plasma, die tiefer in der Mondoberfläche enthalten sind und durch Asteroideneinschläge entstanden sind, nicht verworfen, wenn auch etwas schwieriger abzubauen.

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Literaturhinweise und Leseempfehlungen :

1. The Estimation of Helium-3 Probable Reserves in Lunar Regolith , Slyuta et al., Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Moskau, 2007 (PDF)
2. ³ He in permanent shadowed lunar polar surface , FH Cocks, Icarus Volume 206, Issue 2, April 2010, Seiten 778–779
3. Eine faszinierende Stunde mit Gerald Kulcinski , Eric R. Hedman, The Space Review, 2006
4. D- ³ He Fusion in an Inertial Electrostatic Confinement Device , Ashley et al., Wisconsin Fusion Technology Institute, 1999 (PDF)
5. Helium-3 als alternative Brennstofftechnologie (zur Stromerzeugung) , S. Kumar, K. Gupta, The Journal of Department of Applied Sciences & Humanities, Vol. 3, No. IV, 2006 (PDF)
6. Wisconsin Fusion Technology Institute: Sammlung von Artikeln zum Thema Inertial Electrostatic Confinement