211service.com
Utvinning av månen
Ved starten av det 21. århundre var det få som ville ha spådd at innen 2007 ville et nytt løp for månen være i gang. Likevel er tegnene at dette er tilfelle nå. Videre, i dagens månekappløp, i motsetning til det som fant sted mellom USA og U.S.S.R. på 1960-tallet, konkurrerer en komplett liste over verdensmakter fra det 21. århundre, inkludert Kina og India.
Varme gasser: Forskere ved University of Wisconsin-Madisons Fusion Technology Institute tester denne fusjonsreaktoren, vist med utsikt over nettet der intern elektrostatisk inneslutning finner sted.
Enda mer overraskende er at en grunn til mye av interessen ser ut til å være planer om å utvinne helium-3 – angivelig et ideelt drivstoff for fusjonsreaktorer, men nesten utilgjengelig på jorden – fra månens overflate. NASAs Vision for Space Exploration har planlagt at amerikanske astronauter skal være tilbake på månen i 2020 og permanent bemanne en base der innen 2024. Mens den amerikanske romfartsorganisasjonen verken har annonsert eller avvist noe ønske om å utvinne helium-3, har de likevel plassert talsmenn for gruve He3 i innflytelsesrike posisjoner. Russland hevder på sin side at målet med ethvert eget måneprogram – for hva det er verdt, rakettselskapet Energi nylig begynt å sprudle, sovjetisk stil, at den vil bygge en permanent månebase innen 2015-2020 – vil trekke ut He3.
Også kineserne tror tilsynelatende at helium-3 fra månen kan muliggjøre fusjonsanlegg på jorden. Denne høsten forventer Folkerepublikken å gå i bane rundt en satellitt rundt månen og deretter lande et ubemannet kjøretøy der i 2011.
India har heller ikke tenkt å stå utenfor. (Se India's Space Ambitions Soar .) Denne siste våren var presidenten A.P.J. Kalam, og dets statsminister, Manmohan Singh, holdt store taler og hevdet at i tillegg til å bygge gigantiske solfangere i bane og på månen, har verdens største demokrati også til hensikt å utvinne He3 fra månens overflate. Indias etterforskning, Chandrayaan-1 , vil ta av neste år, og ISRO, den indiske romforskningsorganisasjonen, snakker om å sende Chandrayaan-2 , en overflaterover, i 2010 eller 2011. Samtidig lager Japan og Tyskland også lyd om å lansere sine egne måneoppdrag rundt den tiden, og snakker om muligheten for å utvinne He3 og bringe den tilbake til å brenne fusjonsbaserte atomreaktorer på Jord.
Kan He3 fra månen virkelig være en gjennomførbar løsning på våre strømbehov på jorden? Praktisk kjernefysisk fusjon anslås i dag å være fem tiår unna – den samme spådommen som ble gitt på Atoms for Peace-konferansen i Brussel i 1958. Hvis fusjonskraftens ankomstdato har holdt seg konstant 50 år unna siden 1958, hvorfor skulle helium-3 plutselig gjøre fusjonskraft mer gjennomførbar?
Talsmenn for He3-basert fusjon peker på det faktum at dagens innsats for å utvikle fusjonsbasert kraftproduksjon, som ITER megaproject, bruk deuterium-tritium drivstoffsyklusen, noe som er problematisk. (Se internasjonal fusjonsforskning .) Deuterium og tritium er begge hydrogenisotoper, og når de er smeltet sammen i et overopphetet plasma, kommer to kjerner sammen for å lage en heliumkjerne – bestående av to protoner og to nøytroner – og et høyenerginøytron . En deuterium-tritium-fusjonsreaksjon frigjør 80 prosent av energien i en strøm av høyenerginøytroner, som er svært ødeleggende for alt de treffer, inkludert en reaktors inneslutningskar. Siden tritium er svært radioaktivt, gjør det inneslutning til et stort problem ettersom strukturer svekkes og må erstattes. Derfor vil uansett hvilket materiale som brukes i et deuterium-tritium-fusjonskraftverk måtte tåle alvorlig straff. Og hvis det er oppnåelig, når den fusjonsreaktoren til slutt tas ut, vil det fortsatt være mye radioaktivt avfall.
Helium-3-forkjempere hevder at det omvendt ville være ikke-radioaktivt, og unngå alle disse problemene. Men en seriøs kritiker har anklaget at He3-basert fusjon i virkeligheten ikke engang er et mulig alternativ. I augustutgaven av Fysikkverden , teoretisk fysiker Frank Close, ved Oxford i Storbritannia, har publisert en artikkel kalt Frykt over fakta der han blant annet oppsummerer noen påstander fra helium-aficionados, og avviser deretter disse påstandene som i hovedsak fantasi.
Close påpeker at i en tokamak – en maskin som genererer et smultringformet magnetfelt for å begrense de overopphetede plasmaene som er nødvendige for fusjon – reagerer deuterium opptil 100 ganger langsommere med helium-3 enn det gjør med tritium. I et plasma inneholdt i en tokamak, Close-spenninger, blir alle kjernene i drivstoffet blandet sammen, så det som er mest sannsynlig er at to deuteriumkjerner raskt vil smelte sammen og produsere en tritiumkjerne og proton. Det tritiumet vil på sin side sannsynligvis smelte sammen med deuterium og til slutt gi ett helium-4-atom og et nøytron. Kort sagt, sier Close, hvis helium-3 blir utvunnet fra månen og brakt til jorden, i en standard tokamak vil det endelige resultatet fortsatt være deuterium-tritium-fusjon.
For det andre avviser Close påstanden om at to helium-3-kjerner realistisk kan fås til å smelte sammen for å produsere deuterium, en alfapartikkel og energi. Den reaksjonen skjer enda langsommere enn deuterium-tritium-fusjon, og drivstoffet må varmes opp til upraktisk høye temperaturer - seks ganger varmen fra solens indre, etter noen beregninger - som ville være utenfor rekkevidden for noen tokamak. Derfor, konkluderer Close, er månehelium-3-historien, etter min mening, måneskinn.
Closes innvending antar imidlertid at deuterium-helium-3-fusjon og ren helium-3-fusjon vil finne sted i tokamak-baserte reaktorer. Det kan være alternativer: for eksempel Gerald Kulcinski , en professor i kjernefysisk teknikk ved University of Wisconsin-Madison, har opprettholdt den eneste helium-3-fusjonsreaktoren i verden med et årlig budsjett som knapt er på seks sifre.
Kulcinskis He3-baserte fusjonsreaktor, som ligger i Fusion Technology Institute ved University of Wisconsin, er veldig liten. Når den kjøres, inneholder den et sfærisk plasma på omtrent 10 centimeter i diameter som kan produsere vedvarende fusjon med 200 millioner reaksjoner per sekund. For å produsere en milliwatt strøm bruker dessverre reaktoren en kilowatt. Closes svar er derfor gyldig nok: Når praktisk fusjon skjer med en demonstrert nettoeffekt, kan jeg – og verdens fusjonssamfunn – ta det til etterretning.
Likevel gjelder denne kritikken like mye for ITER og den tokamak-baserte reaktorinnsatsen, som heller ikke har oppnådd breakeven ennå (punktet der en fusjonsreaktor produserer like mye energi som den forbruker). Det som er viktig med reaktoren i Wisconsin er at, som Kulcinski sier, vi utfører både deuterium-He3- og He3-He3-reaksjoner. Vi kjører deuterium-He3 fusjonsreaksjoner daglig, så vi er godt kjent med den reaksjonen. Vi gjør også He3-He3 fordi hvis vi kan kontrollere det, vil det ha et enormt potensial.
Reaktoren ved Fusion Technology Institute bruker en teknologi som heter treghetselektrostatisk innesperring (IEC). Kulcinski forklarer: Hvis vi brukte en tokamak for å gjøre deuterium-helium-3, ville den måtte være større enn ITER-enheten, som allerede strekker grensene for troverdighet. Våre IEC-enheter, derimot, er på størrelse med bordplater, og under våre deuterium-He3-kjøringer får vi noen nøytroner produsert ved sidereaksjon med deuterium. Likevel, fortsetter Kulcinski, når sidereaksjoner oppstår som involverer to deuteriumkjerner som smelter sammen for å produsere en tritiumkjerne og proton, er tritiumet som produseres på et så høyere energinivå enn innesperringssystemet at det umiddelbart slipper unna. Følgelig er radioaktiviteten i vårt deuterium-He3-system bare 2 prosent av radioaktiviteten i et deuterium-tritium-system.
Mer betydningsfull er He3-He3-fusjonsreaksjonen som Kulcinski og hans assistenter produserer med sin IEC-baserte reaktor. I Kulcinskis reaktor smelter to helium-3-kjerner, hver med to protoner og ett nøytron, i stedet sammen for å produsere en helium-4-kjerne, bestående av to protoner og to nøytroner, og to svært energiske protoner.
He3-He3 er ikke en lett reaksjon å promotere, sier Kulcinski. Men He3-He3 fusjon har det største potensialet. Det er fordi helium-3, i motsetning til tritium, er ikke-radioaktivt, noe som for det første betyr at Kulcinskis reaktor ikke trenger det massive inneslutningskaret som deuterium-tritium-fusjon krever. For det andre har protonene den produserer – i motsetning til nøytronene produsert av deuterium-tritium-reaksjoner – ladninger og kan inneholdes ved hjelp av elektriske og magnetiske felt, som igjen resulterer i direkte elektrisitetsproduksjon. Kulcinski sier at en av hans utdannede assistenter ved Fusion Technology Institute jobber med en solid state-enhet for å fange opp protonene og konvertere energien deres direkte til elektrisitet.
Likevel beviser Kulcinskis reaktor bare den teoretiske gjennomførbarheten og fordelene ved He3-He3-fusjon, med kommersiell levedyktighet som ligger flere tiår i fremtiden. For øyeblikket, sier han, vil departementet for energi fortelle oss: 'Vi får fusjon til å fungere. Men du kommer aldri til å gå tilbake til månen, og det er den eneste måten du får enorme mengder helium-3 på. Så glem det.’ I mellomtiden forteller NASA-folkene oss: ‘Vi kan få helium-3. Men du vil aldri få fusjon til å fungere.’ Så DOE tror ikke NASA kan gjøre jobben sin, NASA tror ikke at DOE kan gjøre jobben sin, og vi prøver å få de to til å jobbe sammen. Akkurat nå kommer Kulcinskis finansiering fra to velstående individer som, sier han, kun er interessert i forskningen og uten forventning om økonomisk fortjeneste.
Totalt sett er helium-3 det ikke den lavthengende frukten blant potensielle drivstoff for å skape praktisk fusjonskraft, og det er en som vi må nå månen for å plukke. Når det er sagt, hvis ren He3-basert fusjonskraft er realiserbar, vil det ha enorme fordeler.