03.04 月球上氦-3發電夠全人類用上萬年,為什麼沒有人運回地球?

愛好養豬仔


人類沒有可投入實用的可控核聚變設備,也沒有采集月球氦-3資源的能力。月球氦-3儲量百萬噸,遠遠超過地球上的500公斤。卻只能眼紅而沒辦法開採。

這也是美國當年登月後不再登月的原因,登月本身需要耗費大量資金,但是月球的資源人類目前的科技完全無法採集,帶回來幾百公斤分給各國研究就已經是很了不起的成就。氦-3的採集,需要土壤進行加熱,先讓氦-3資源析出。而從月壤中提取1噸氦-3,還可以得到約6300噸的氫、70噸的氮和1600噸碳,言外之意就是需要處理大量的月球土壤才可以得到1噸氦-3。

不過一些科學家著眼於未來,認為人類有必要建設並維持一個龐大的月球基地,用於科研和氦-3資源的開採。但預計至少要花費2000億到3000億美元,才能建起一個可供使用的基地,如果建設提取氦-3資源的基地,耗費的資金還要增加不少。

另一點核聚變技術,聽起來十分美妙,然而應用氦-3作為原料卻比人類目前研究的以氘為原料的核聚變技術更加苛刻。而人類目前連氘聚變技術都還沒實現,即便採集了月球氦-3也不能應用。而氘在地球海洋中的儲量卻比較豐富,如果人類可以實現氘的可控核聚變,短時間內也沒必要採集月球氦-3。


來看世界呀


地球上極度稀缺的氦-3,用來做核聚變發電的燃料不僅效率高,而且沒有輻射。氦-3在月球約有上百萬噸,夠全人類用上萬年。

然而,人類已經有46年沒有再登陸月球了,為什麼不考慮把月球的資源運回地球呢?

回憶大航海時代,哥倫布發現北美洲,這是一片全新的土地,有豐富的物產資源,土著還能當苦力,從此,人類進入了新的紀元。

但是月球和北美洲不一樣啊,載人航天火箭不是哥倫布的小破船啊,花上千億美元,去月球搬磚?更悲催的是,就算把月球土搬回來了,地球上的科學家還沒辦法讓氦-3乖乖的在核電站工作呢。

說到這應該明白為什麼人類不登月了,性價比實在太低。各國都改用探測器,探索月球、火星等等天體。以前登月是一種炫耀國力的方式,如今在和平年代,一切隨緣吧。也許等到地球資源枯竭,科技又足夠發達的時候,月球才會變成人類的「北美洲」,資源隨用隨取,甚至變成人類飛向太空的天然中間站,像大航海時代的深水不凍港。


潘彩蛋


答案:因為利用氦-3來發電根本就是一個偽命題

目前所有的核電站都是通過重核裂變的形式發電的,在裂變過程中會產生大量的核廢料處理起來相當麻煩。而通過氦元素的同位素氦3作為核聚變發電的原材料,能夠產生比鈾235裂變高几倍的能量,同時氦3作為聚變原材料不會產生中子,也就是不會產生核輻射,並且嫦娥二號已經探測到月球的氦3儲備有上百萬噸,100噸相當於全球一年的能源總和,那麼月球上的氦3可以供人類使用1萬年的時間。無汙染、儲量大、能源效率高,理論上來說這簡直是完美的原材料,但實際上氦3想要發電是完全不可能的。

氦3+氘核反應產生氦4+質子,這是氦3聚變的基本原理,而實際上在核聚變中如果將原材料氦3和氘核混合在一起,首先進行的是氘-氘核聚變反應,因為原子核如果帶電荷越多,那麼原子核之間產生的庫倫斥力就越大,所以一定是原子核所帶電荷越小的原子核越容易發生反應,氘質子數是1,而氦3的質子數是2。在受控核聚變中,一定是氘-氘核聚變反應需要的溫度更低,反應條件更寬鬆;氘-氦核聚變反應需要的溫度更高。

這樣就產生了一個問題,在託卡馬克裝置升溫的過程中氘核會自己先發生聚變反應將原材料耗盡,最後只剩下氦3,而氦-氦核聚變反應原子核之間的斥力非常大,沒有足夠的反應截面積,達不到反應速率,無法進行核聚變反應。

所以想要通過氦-3和氘核進行核聚變反應在理論上也是做不到的。


科學薛定諤的貓


月球上氦-3發電夠全人類用上萬年,為什麼沒有人運回地球?

其實很簡單,以人類的科技連最低要求的氚氘聚變都沒有達到,由何來氦3聚變呢,暫時沒有這個需求,為什麼現在就要大規模開發月球上的氦3,人類是很現實的,對於未來有需求卻前途未卜的需求,從來都是以研究為主,未來的氦3時代到來,經濟利益會促使這個進程加快進行,現在要做的是宇航技術的進步!

從這個路線圖可以看出,我們正在前往第一代核聚變的道路上掙扎著,這個聚變要求是比較低的,聚變溫度約為5000萬-1億度,還會產生不好處理的中子,但未來最終將實現氦3聚變,沒有中子的聚變才是真正乾淨的聚變,暫時的終極追求差不多就是這個了。

以ms計的聚變堆內部等離子體約束過程,最後的一閃就是破裂了,約束失敗,這個是託卡馬克結構的聚變堆內部

託卡馬克內部結構

仿星器的結構

磁約束兩種典型的結構:託卡馬克和仿星器,相傳仿星器的結構更合理一些,但ITER用的是託卡馬克結構,EAST也是哦

慣性約束核聚變裝置NIF的內部

位於靶室中央的“燃料球”,點火時192束強激光同時“轟擊”燃料球

所以,八字還沒那一瞥,氦3的開採計劃還很早呢,但只要實現了核聚變,即使只是氚氘聚變,氦3的開發馬上就會提上日程,無論是經濟利益驅使還是搶佔月球資源考慮,都會聞風而動.....


星辰大海路上的種花家


關於氦-3這種東西,很瞭解它的人並不多,實際上它是一種無色無味的氦氣同位素氣體,被公認為一種未來將被廣泛應用的核聚變能源燃料,因為氦-3可以和氫的同位素發生核聚變反應,但是與一般的核聚變反應不同,氦-3在聚變過程中不產生中子,所以放射性小,而且聚變反應過程易於控制,既環保又安全,所以有這種原材料做基礎的話,人類很快能掌握可控核聚變技術,並且實現高效、安全、廉價、清潔無汙染髮電。

那麼氦-3在發電方面的優勢有多大呢?對照比較一下就能發現,我國每年的發電都需要耗費大量的資源能源,其中消耗的能源相當於近50億噸標準煤,然而如果用氦-3聚變能的話,只需要20噸就夠了,即便是全世界每年的發電量,使用100噸氦-3也足夠了,所以氦-3發電的優勢非常明顯,它也被科學家們稱為"完美能源"。

然而氦-3在地球上含量非常少,已探明容易獲取的這種資源只有500公斤左右,也就是隻有半噸,但是在月球表層的土壤中這東西含量卻高達100萬噸,是地球的200萬倍,足夠全世界發電使用1萬年。



看到這裡,可能很多朋友都有點蠢蠢欲動了,心想那就趕緊去月球上把這種東西弄回來啊!是啊,科學家們也這麼想,很多國家的領導層也這麼想,而且也早有人預言,因為氦-3具有的能源優勢,將來的月球或成為世界各國爭奪的能源“波斯灣”。




那麼為啥還不見人類在這方面有所行動呢?主要的原因實際上是對現階段的人類來說開採月球能源還是一個很難做到的事情,首先人類必須先在月球上建立人類能居住的基地,再把很多開採設備弄到月球上,而且還必須保障地球與月球之間的人與貨物的來回運輸,這需要很多大推力火箭把各種東西發射到月球,也需要從月球把東西發射回來,其他各方面的技術也需要很成熟才行。

不僅如此,在月球上提取氦-3也並不容易,首先需要將月球土壤加熱到700攝氏度以上,而由於月球上沒有氧氣,不容易用燃燒的方式進行,因此把氦-3提取出來也很麻煩。

不過這些技術問題以後終究會被解決的,如今世界各大國都有科學家圍繞月球上氦-3的儲量、採掘、提純、運輸等問題悄然進行著相關研究。我國在這方面也沒有閒著,我國探月工程裡面就包含一項重要計劃——對月球氦-3含量和分佈進行一次由空間到實地的詳細勘察,為人類未來利用月球核能奠定堅實的基礎。


比如2015年是我國嫦娥3號衛星以及其所攜帶的玉兔月球車就曾經測量過月球的土壤層到底有多厚,實際上這對於我們計算月球氦-3含量意義重大,這是別的國家還沒有做過的事情,而我們也從中得到了較為可靠的月球土壤的厚度數據,報道說有專家認為前人的估計方法很可能普遍低估了月壤厚度和氦-3總儲量。

不僅如此,下一步我國的探月工程嫦娥4號將實現月球背面軟著陸探測那裡的月球表面環境和月壤情況,嫦娥5號還將從月球上進行月壤取樣並返回地球研究,另外還將研究地月空間環境,為進一步的月球能源探索和開發提供依據,期待我們能在氦-3的探索開發和利用上引領世界,更好的造福人類吧。



科普大世界


人類航天科技競逐也有年,美蘇航天角鬥的經驗告訴我們,宇宙之大,現在就以傾國之力去做,要被碰得頭破血流的,但誰要是止步不前,長期徘徊觀望,以為不值得去探索,也是要後悔莫及的。

比如氦3。中國繞月探測工程首席科學家歐陽自遠在接受記者採訪時表示,月球估計有上百萬噸氦3,用之地球,即可解決幾千年的能源問題。一石激起千重浪,有說不成的,有說可以的,莫衷於是,這就是我們今天要討論的題目。

不成的自有道理。有人計算過,要得到10噸氦3,就需要3.5億噸月壤,3.5億噸月壤體積是4.375億立方米,這真是細思極恐啊,非容易,這個事看來在沒有更好的技術手段去實現的情況下,只能進行先期技術驗證,看看哪種辦法更好,看看隨著人類科技的發展,有無更好的辦法。如果現在就去著手採集,手段確乎有限。

成也是必須的。以前不成,並不代表今後不成,要成的話,即從現在起,就要著手開始研究,否則就是老虎吃天,永遠無法下手。地球人口越來越多,現在探明的資源總有枯竭的一天,為明天計,為子孫後代計,必須從今天開始去發現更好的或可以替代的資源,比如歐陽院士說的氦3。

如果僅從氦3兩字去想問題,就把我們的院士給想小了,月球還有沒有其它資源可供人類利用?我們登陸月球也不只為個氦3。月球是人類看到的除地球外最明亮的星球,幾千年以來引人渴望去探索,現在我們已經擁有了這樣的技術手段,為什麼不值得一試呢?


魂舞大漠


氦3是氦的同位素之一,它的原子核由兩個質子和一箇中子構成。是一種穩定的同位素。

圖:氦3的原子結構

氦3作為一種熱核反應的材料是非常安全的,利用氦3與氘(氫的同位素)進行聚變的產物是沒有放射性的質子,沒有中子的產生(中子束進入人體後,能夠破壞人體細胞組織和中樞神經系統。當人體吸收的中子束達到一定劑量時,會造成人體損傷甚至死亡)。

氦3來源於太陽,太陽風帶著氦3向四周擴散。月球由於沒有大氣所以成為很好的氦3“收集器”,在月球誕生的45億多年的時間裡不停的收集著氦3。所以,月球表面存在著大量的氦3,估計儲量有100萬噸。按目前的世界能源需求,100噸氦3就能滿足全球的能源所需。按這種算法,足夠人類使用1萬年。

按每年所需氦3的數量,只需要發射兩三艘飛船去到月球運載回來就行了。而且在上世紀60年代就能完成的登月計劃,在現在來說更加容易。那麼為什麼不去呢?

圖:月球背面

第一,氦3的開採是困難的。首先要建立一個可以長期居住的、功能完善、可以基本自持的月球基地,然後還要派人上去長期值守,開採並提煉氦3。

第二,核聚變反應的技術尚未研發成功,目前還沒有對這種安全的核燃料的需求。

第三,目前正在研發的核聚變反應堆利用的是氚氘作為聚變材料。而氘在地球上的含量非常豐富,足夠人類用到地球毀滅,按現在的能源消耗量,能用上百億年。用於生產氚的鋰的儲量也非常豐富。雖然這種核聚變反應堆會產生大量的核輻射,但防護措施做好也是安全的。

第四,需要的資金量太大。據估算,完成這個計劃需要2500~3000億美元,花費30~40年的時間。

故此,對於一個需大量資金持續數十年投入的、難度很大和現在還沒有需求的項目來說,對資本沒有一點吸引力。

什麼時候去月球開採氦3才具備吸引力呢?

由於氦3核聚變沒有輻射,所以無需防護層,可以將反應堆做得較小。這種小型化核聚變反應可以用在航天飛機、核動力航母、核潛艇等需要小型化核聚變反應堆的場所。

圖:核動力潛艇

圖:構想中的核動力飛船


所以,筆者認為,只有在核聚變反應堆研發成功並大規模商業化運營後,並且在一些需要小型化的核聚變反應堆需求量較大時,月球的氦3才有開採價值。


講科學堂


這個問題就像,當人們沒有鍊鐵技術的時候,在山裡發現大量鐵礦石,為什麼不會運回來?

因為那時的人還不會鍊鐵,運回來幹嘛呢。月球土壤裡雖然有大量的氦-3,姑且不考慮採集運輸的費用,主要是人類還沒有掌握可控核聚變,氦-3原料再多,目前人類還用不到啊。

可控核聚變目前還是人類最需攻克的世界難題,保守來看需要幾十甚至百年來進行攻克。目前人類能夠利用的人工核聚變,是不可控的熱核反應 - 氫彈。它是通過裂變點火,靠慣性力把高溫高壓的等離子體進行約束。

人們當然也在嘗試各種人工可控的慣性約束,例如使用激光打靶的方式實現激光慣性約束核聚變。採用少量熱核物質的爆發來實現能量利用,但目前都還在試驗摸索階段。

通過磁約束建造可控聚變反應堆,是目前最有希望實現人工核聚變的一種方法。通過強磁場來約束等離子體,並對其加熱,實現聚變點火。世界上已經有多個託卡馬克實驗堆,美國,歐盟,中國,日本都在展開相關研究。

但可控聚變目前都還處在基礎研究階段,離商業應用還有至少幾十年的路要走。一旦人工可控核聚變實現,人類的能源利用突飛猛進,核聚變的燃料不會成為問題。


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現代的航天發射成本有多高,大家都是知道的,這一來一回,不知道要花多少錢呢?

氦3目前是屬於用不到的能源,也無需提前做好準備把它們拉回來,什麼時候用什麼時候去取,在月球那裡,沒人可以搶的到。

可控核聚變是人類的能源夢想,現代的核電站都是採用核裂變原理,但核聚變釋放的能量遠遠高於核裂變。

目前世界上主要大國都在進行著可控核聚變方面的實驗。2017年7月3日,位於我國安徽合肥的全超導託卡馬克裝置約束等離子體運行的時長超過了100秒,達到了101.2秒,打破了世界紀錄。

如今世界紀錄在101秒左右,距離商業化應用,這其中還有很長很長的路要走。

核聚變產生的高溫可達千萬攝氏度,託卡馬克裝置可利用磁場將反應區束縛起來,但束縛不了不帶電的生成物高能中子,它們會撞擊反應壁,造成損傷,用不了多久就要換。

可控核聚變的原料不需要去月球上取,地球上很豐富,只是說月球上的氦3用起來可能更清潔一些罷了,特別是氦3-氦3聚變,不產生輻射,但所需的條件將是氘-氚的十幾倍,人類還遠遠未達到水平。

況且,提煉月球上的氦3還需要相應的技術,必須要在月球上建立基地,簡而言之,目前人類辦不到。


科學船塢


其實很簡單,科學家倒是想利用月球上的氦-3這種清潔能源,但問題是人類科技還遠沒有達到能夠利用氦-3來聚變產生能量發電,科學家甚至連最基本的氫核聚變都沒有完全掌控!

這就像地球上的,海水本身也是能源,如果能把誰分解成氫和氧,也是非常清潔高效的能源,但受制於技術環節還沒有突破,只能“望洋興嘆”!

同時,運輸費用也足以高得嚇到我們。雖然人類探測器早已經到達月球,但截止目前也只有美國實現了的載人登月,而且每次登月的費用高達數十億美元,就算美國再有錢也得掂量掂量!

而如果想要在月球上開採氦-3,困難程度和費用更加不可預測。所以將來等技術成熟以後,也不太可能把氦-3運回地球,更可能出現的是在月球上建立基地,直接開採利用!

所以,不用對月球上的氦-3“虎視眈眈”了,科學家們只要把完全掌控了核聚變,能夠像駕馭石油煤炭那樣使用核燃料,地球上的核燃料也夠人類用很久了!不過如果人類能夠成功駕馭核燃料,我們星際旅行的速度會有質的提高,屆時開發月球甚至火星資源會水到渠成!


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