W latach 1968–1972 NASA w ramach programu „APOLLO”, wysłała dziewięć ekspedycji załogowych z zadaniem badań Księżyca, z czego w sześciu przypadkach misje te zakończyły się pobytem ludzi na jego powierzchni. Po czym program lotów na Księżyc został zakończony. Skoro obecnie temat ten powraca, to zapewne dzieje się tak nie bez istotnego powodu.
Po tym, jak NASA zorganizowała nową misję związaną z Księżycem o nazwie ARTEMIS, w ramach której testowano nowy statek kosmiczny (ORION) i nowe rozwiązania techniczne (bezzałogowa misja ARTEMIS I w dniach od 16 listopada do 11 grudnia 2022 roku oraz Artemis II, obecna ekspedycja okołoksiężycowego dziesięciodniowego lotu czteroosobowej załogi, w dniach od pierwszego do dziesiątego kwietnia br., z wodowaniem kapsuły załogowej
u wybrzeży Kalifornii na wysokości San Diego), pojawiło się pytanie po co to i na co jankesom? Dlaczego zależy im na tym, by znowu postawić tam stopę akurat teraz? Okazuje się, że USA zaplanowały wysłać ludzi na Księżyc najpóźniej w 2028 r., tj. o dwa lata wcześniej niż zamierzają to zrobić Chiny.
Głównym celem nie jest prestiż, ale sprawdzenie możliwości pozyskiwania rzadkich minerałów, które umożliwiłyby realizację dalekosiężnych celów strategicznych. A zatem, co takiego konkretnie chcą zlokalizować na Księżycu i z jakiego powodu wzrasta tempo wyścigu w celu “zagospodarowania” ziemskiego naturalnego satelity? Zachodnia prasa ujawniła kryjącą się za tym pośpiechem przyczynę, a mianowicie wskazała, że chodzi o Hel-3, czyli że to z powodu tego pierwiastka jankesi dążą do tego, by to oni, jako pierwsi, wyznaczyli i „zaklepali” dla siebie działki na Księżycu.
Cóż więc to za cud natury ten hel–3, że trzeba go szukać tak daleko? Czy nie lepiej byłoby pozyskać go na naszej planecie? Rzecz jasna, że lepiej, tyle że nie jest to możliwe w potrzebnych ilościach. Dlatego najpierw krótkie wprowadzenie co to takiego hel w ogólności. Encyklopedia podaje, że jest to drugi w kolejności po wodorze element Układu Okresowego Pierwiastków pod względem liczby atomowej. W przypadku helu wynosi ona dwa, co oznacza, iż atom tego pierwiastka zawiera dwa protony w swoim jądrze. Hel znajduje się w ostatniej, tj. 18 grupie ww. układu. mieszczącej tzw. gazy szlachetne (helowce), czyli pierwiastki o nikłej lub zerowej reaktywności chemicznej, tzn. pierwiastki chemicznie bierne, które bardzo trudno wiążą się z innymi lub wcale nie tworzą tego rodzaju wiązań (molekuł wieloskładnikowych). Ale to, że hel jest chemicznie najbardziej z nich bierny, nie oznacza że jest obojętny dla żywego organizmu. Otóż wdychanie helu w większych dawkach powoduje utratę przytomności i może prowadzić
do śmierci. O innych, istotnych użytkowo parametrach tego gazu, jest mowa w dalszej treści.
Jeszcze trochę o tym kto, kiedy i jak wyodrębnił hel (jako pierwiastek) oraz co w tym gazie jest aż tak niezwykle pożądanego, skoro dla jego przyszłej eksploracji kalkuluje się wysyłanie absurdalnie kosztownych kosmicznych ekspedycji. Nie będę spekulował o tym, że Hel-3 to jedynie pretekst propagandowy dla wspomnianych peregrynacji w kosmosie, a faktycznie chodzi o zainstalowanie na Księżycu baz dla rakiet balistycznych. Na dzisiaj nie sposób tego rozstrzygnąć, zatem wracam do zasadniczego tematu.
W 1868 r. francuski astronom Pierre Jules César Janssen wyruszył do wybrzeży Zatoki Bengalskiej w celu obserwacji całkowitego zaćmienia Słońca.
https://pl.wikipedia.org/wiki/Pierre_Janssen
Rezydujący w Madrasie brytyjski gubernator pozwolił mu wybrać dowolne miejsce, które astronom uzna za przydatne do tego celu. Janssen wybrał miasto Guntur (obecnie w indyjskim stanie Andhra Pradeś), znajdujące się jakieś 200 km na północ od Madrasu, a które wg wyliczeń miało znaleźć się w samym środku toru, którym przemieszczać się miał stożek cienia rzucanego przez Księżyc. (Szerokość pasa ścieżki cienia na powierzchni Ziemi wynosiła ok. 250 km, to zaś oznacza, iż z Madrasu zaćmienie nie byłoby widoczne jako całkowite). Kilka dni zajęło ekipie astronoma przetransportowanie na wybrane miejsce niezbędnego ekwipunku (m.in. teleskop, spektroskop, etc.).
Zaćmienie zaczęło się w dniu 18 sierpnia przed godziną szóstą rano i trwało niespełna siedem minut, w trakcie których astronom zarejestrował przy użyciu spektroskopu widmo kilku słonecznych protuberancji (materia wyrzucana w słoneczną chromosferę, widoczna ponad zasłoniętą przez Księżyc tarczę Słońca. Zjawisko podobne do wrzącego oleju, którego krople wypryskują nad patelnię).
https://www.facebook.com/reel/33962799580035444
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_solar_eclipses_in_the_19th_century
Spektroskop to przyrząd, który pozwala rozdzielić widmo emitowane przez rozgrzany obiekt na poszczególne częstotliwości (kolory) charakterystyczne dla danego pierwiastka. Okazało się, że w widmie protuberancji znalazł się nieznany dotychczas kolor żółty, jakkolwiek w ramach wcześniej przeprowadzanych doświadczeń laboratoryjnych także widmo sodu miało barwę żółtą, choć o wyraźnie różniącym się odcieniu. Narzucał się wniosek, iż jest to widmo nieznanego dotychczas pierwiastka. Janssen nie nadał mu nazwy, być może czekając na okazję dla zweryfikowania poprawności swojego odkrycia. A w kilka miesięcy później angielski astronom Joseph Norman Lockyer, który badał widmo słoneczne w jesiennie zamglonym Cambridge, doszedł do tego samego wniosku, iż ten nowy pierwiastek może być tylko składnikiem Słońca, a nie atmosfery ziemskiej. Z tej racji nadał mu nazwę hel pochodzącą od greckiego słowa oznaczającego Słońce (Helios).
https://pl.wikipedia.org/wiki/Norman_Lockyer
Badacze mocniej „trzymający się Ziemi” nie mogli wpaść na ślad tego pierwiastka, aby potwierdzić odkrycie, tak że nawet asystent Lockyer’a, Edward Frankland, także nietuzinkowy naukowiec, zwątpił w jego prawdziwość.
https://pl.wikipedia.org/wiki/Edward_Frankland
Z uwagi na trudności z potwierdzeniem wiarogodności odkrycia Janssen i Lockyer na wiele lat stali się obiektem drwin w środowisku astronomów i chemików. Każda nieznana substancja była złośliwie określana przez szyderców, że to jest „na pewno hel”.
W 1890 r. amerykański chemik William Francis Hillebrand przy przemywaniu kwasem próbki rudy uranowej (uraninit) dostrzegł wydzielanie się obojętnego gazu, ale uznał, że jest to azot, znany już od ponad stu lat.
https://en.wikipedia.org/wiki/William_Francis_Hillebrand
Dopiero w 1895 r., czyli niemal trzy dekady później po odkryciach Janssena i Lockyer’a, kolejna sława światowej chemii i fizyki, Anglik William Ramsay podczas podgrzewania klewitu (jednej z odmian rudy uranowej) uzyskał gazowy hel. Jako że nie był pewien co to za gaz, wysłał do Lockyer’a, już wówczas uznanego specjalisty od spektroskopii, napełnioną tym gazem szklaną rurkę w celu identyfikacji. Po podłączeniu „do prądu” rurka zaświeciła olśniewającym, charakterystycznym żółtym blaskiem.
https://pl.wikipedia.org/wiki/William_Ramsay
W tym samym1895 r. hel wykryty został w atmosferze ziemskiej. Paradoks polega na tym, iż hel jest, po wodorze, najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie, ale na Ziemi występuje w mikroskopijnej ilości. Reakcje termojądrowe zachodzące w głębi Słońca wytwarzają hel-3, który wiatr słoneczny roznosi po całym Układzie Słonecznym. Ale wiatr słoneczny, bogaty w ten pierwiastek, jest stale odchylany przez ziemskie pole magnetyczne, dlatego izotop ten nie dociera do naszej planety. Natomiast na Księżycu, który nie posiada pola magnetycznego, może on gromadzić się bez przeszkód. Część atomów izotopu osiada w księżycowym gruncie – zwłaszcza w skałach na stronie Księżyca zwróconej ku Ziemi. NASA wytypowała już potencjalne miejsca lądowania w rejonie księżycowego bieguna południowego, gdyż wg wskazań monitoringu znajduje się tam najwięcej lodu. Dlatego jednym z kluczowych kierunków badań jest poszukiwanie skupisk lodu w okołobiegunowych rejonach Księżyca. Dlaczego jest to ważne? Ponieważ z lodu można uzyskać:
— wodę niezbędną do funkcjonowania przyszłych baz księżycowych;
— tlen do oddychania dla astronautów;
— wodór, który można wykorzystać jako składnik paliwa rakietowego.
Ale najcenniejszym z zasobów jest izotop helu, znany jako hel-3 (He-3). Na Ziemi występuje w ilościach bez znaczenia praktycznego. Głównym źródłem tego izotopu jest rozpad trytu zachodzący w procesach energetyki jądrowej. Tyle że wydajność takiego procesu (w reaktorach) jest skrajnie niska i np. USA uzyskują w skali roku raptem kilkadziesiąt kg He-3 z wszystkich reaktorów pracujących w EJ. Trudno się dziwić, iż szacunkowy koszt 1 kg tego izotopu wynosi ok. 20 mln USD. A izotop ten ma ogromny perspektywiczny potencjał. W przyszłości może stać się paliwem dla elektrowni termojądrowych. Reaktory będą bezpieczniejsze i wydajniejsze od pracujących obecnie na paliwie uranowym. A ponadto hel-3 wykorzystuje się w nadprzewodzących systemach chłodzenia komputerów kwantowych.
Dwoma głównymi zawodnikami w „wyścigu po zasoby księżycowe” są USA i Chiny. Oba kraje planują utworzenie baz w pobliżu południowego bieguna Księżyca, gdzie, jak się oczekuje, skumulowały się najbardziej obiecujące zasoby tego izotopu.
ANEKS
Hel składa się z dwóch stabilnych izotopów: He-3 oraz He-4. Sztucznie, czyli we wyniku reakcji jądrowych (bombardowaniem neutronów) można otrzymać również zupełnie śladowe ilości izotopów promieniotwórczych He-6 oraz He-8, dla których czas połowicznego rozpadu wynosi odpowiednio 8,8 sekundy oraz 0,12 sekundy, toteż słusznie nikt sobie nimi nie zawraca głowy.
W przyrodzie zdecydowanie przeważa ilość He-4 (w całości helu izotop He-3 występuje w ilości 0,000137%, pozostała masa przypada na He-4, czyli proporcjonalnie zawartość (stężenie) w helu izotopu He-4 jest wyższa ok. 7000 razy od izotopu He-3.
Punkt krytyczny helu (czyli obszar, w którym nie można wskazać granicznej zmiany fazy cieczy i par) ma wartość 5,19 K. Dla porównania w przestrzeni kosmicznej panuje równowaga temperaturowa na poziomie 3 K. Jest to jedyny pierwiastek, który w temperaturze zera absolutnego nie przekształca się w ciało stałe, pozostając w fazie półpłynnej. Hel jest gazem neutralnym oraz niepalnym, co pozwala na stosowanie go w procesach przemysłowych również przy otwartym ogniu. Dodatkowo próba szczelności helem nie pozostawia zanieczyszczeń ani nie tworzy trwałych związków.
Np. spektrometry, w których stosuje się hel. mają zdecydowanie większą czułość. Ponadto implementacja tego gazu gwarantuje, iż żaden inny gaz nie ma wpływu na zmianę wyników pomiarów. Istnieją także wykrywacze wodorowe, jednakże ich użycie jest ograniczone ze względu na niestabilność i silną wybuchowość wodoru. Dla przykładu kategoria hel 4.0 (czyli „cztery dziewiątki”) w nomenklaturze przemysłowej oznacza hel gazowy o gwarantowanej czystości na poziomie minimum 99,99%, zaś kategoria hel 6.0, to taki o czystości 99,9999% („sześć dziewiątek”). Dla porównania skroplony ten pierwiastek musi mieć czystość co najmniej 99,999%.
Hel pozyskiwany jest z różnych źródeł. Ekonomicznie najtańsza jest ekstrakcja z gazu ziemnego. W tym celu kalkuluje się ekonomicznie przetwarzać gaz ziemny o zawartości minimum 0,1% helu. Niektóre miejsca występowania zasobów gazu ziemnego mają wyższą zawartość tego pierwiastka. Złoża takie zostały znalezione m.in., w Polsce. Hel pochodzący z eksploatacji gazu ziemnego stosuje się w zastosowaniach przemysłowych.
Oszacowano, że globalne zasoby helu (z wyłączeniem USA) wynoszą ok. 15 mld m3, zaś USA posiadają zasoby rzędu
11 mld m3.
Hel posiada rosnące wciąż zastosowanie we współczesnej technologii, a szczególnie odnosi się to do izotopów tego pierwiastka, oznaczanych jako He-3 oraz He-4. Uzyskanie czystego He-3 jest znacznie trudniejsze, bo roztwór musi być bardziej wzbogacony, zaś to stanowi warunek większej zawartości izotopu. Wynika to z wyjątkowo niskiego stopnia rozpowszechnieniem tego izotopu w przyrodzie.
Naturalne źródła (atmosfera i minerały) wykazują się zróżnicowaną zawartością tego izotopu. Dla przykładu molowy stosunek He3 do He4 wynosi w naturalnych źródłach od 5∙10-8 do 5∙10-7. Natomiast w helu atmosferycznym stosunek wynosi 1,2∙10-6. W helu otrzymywanym z radioaktywnej rudy ten stosunek jest mniejszy od 0,3∙10-7.
Mimo, iż izotop He-3 jest tak bardzo słabo rozpowszechniony w naturze, w technice znajduje szerokie zastosowanie, m.in. w:
– bezpieczeństwie narodowym (monitorowanie zagrożeń radiologicznych w materiałach jądrowych);
– monitorowaniu przemieszczania się materiałów nuklearnych;
– detekcji neutronów w reaktorach jądrowych;
– w kriogenice do uzyskiwania maksymalnie niskich temperatur;
– fizyce laserowej;
– eksperymentalnych badaniach nad fuzją jądrową;
– medycynie (obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego – MRI).
Szerokie i stale rosnące spektrum zastosowań powoduje niedobór podaży helu-3.
W poprzednich dziesięcioleciach pozyskiwano izotop He-3 przy okazji realizacji programu nuklearnego, co zaspokajało ówczesny popyt na ten izotop. Popyt był na tyle mały, że np. w USA udawało się nawet gromadzić zapasy tego izotopu. Ale po ataku terrorystycznym z 11 września 2001 r. na nowojorskie wieże WTC rząd federalny rozpoczął program instalowania detektorów neutronów na granicach, aby wzmocnić zabezpieczenia przed przemytem materiałów jądrowych i radiologicznych. Realizacja programu wygenerowała skowy wzrost zapotrzebowania na He-3. Hel-3 nie jest pozyskiwany bezpośrednio z rudy uranowej w procesie chemicznym czy górniczym, ponieważ jego stężenie w skorupie ziemskiej jest niezwykle niskie.
Izotop ten pozyskiwany jest głównie jako produkt uboczny reakcji jądrowych z użyciem trytu (izotop wodoru). Tryt produkowany jest także na potrzeby głowic nuklearnych. W przypadku tego radioaktywnego izotopu wodoru, dla którego połowiczny okres rozpadu wynosi trochę ponad 12 lat, materiał w takiej głowicy staje się z czasem coraz bardziej zanieczyszczony. Dlatego, mniej więcej, co 5-6 lat głowice są oczyszczane z helu-3.
Obecnie najpowszechniejszą metodą uzyskiwania helu-3 jest rozpad radioaktywny trytu (3H), który jest produktem ubocznym pracy niektórych typów reaktorów jądrowych, a nie bezpośrednim produktem rozpadu uranu w rudzie.
Rola rudy uranowej (proces naturalny)
Hel-3 występuje w rudach uranowych jedynie jako śladowy produkt uboczny naturalnych procesów jądrowych (rozszczepienie spontaniczne, reakcje neutronowe), jednak jego wydobycie stamtąd jest ekonomicznie nieopłacalne.
Podsumowując:
Hel-3 uzyskuje się głównie z trytu wytworzonego w reaktorach, a nie bezpośrednio z wydobywanej rudy uranu.
Szczegóły proces pozyskiwania helu – 3:
Reaktory CANDU:
W kanadyjskich reaktorach typu CANDU, wykorzystujących ciężką wodę (deuterową) jako moderator. Neutrony oddziałują z deuterem, co prowadzi do produkcji trytu (H-3).
1/ rozpad trytu:
Tryt jest nietrwały i ulega rozpadowi beta z czasem połowicznego rozpadu wynoszącym 12,3 roku, przekształcając się w stabilny Hel-3.
2/ ekstrakcja Helu-3
– odzysk z systemów reaktorowych:
Hel-3, jako gaz, nie rozpuszcza się w wodzie i ucieka do gazu osłonowego (zazwyczaj helu-4)
w reaktorach.
– rozdzielanie kriogeniczne:
Ponieważ Hel-3 ma inną temperaturę wrzenia niż hel-4, stosuje się zaawansowane techniki krioseparacji (rozdzielanie izotopów w niskich temperaturach) do wydzielenia czystego helu-3
z mieszaniny gazów.
– dekomisja broni jądrowej:
Znaczna część zasobów Helu-3 pochodzi z rozpadu trytu składowanego przez dziesięciolecia w głowicach jądrowych, skąd gaz jest ekstrahowany po upływie czasu.
Można również uzyskać obydwa izotopy helu w wyniku bombardowania litu neutronami, które inicjuje przemiany jądrowe. Proces składa się z dwóch etapów. W pierwszym następuje rozpad litu, gdzie uzyskiwane są produkty z tej reakcji: tryt oraz Hel-4. W etapie drugim (finalnym) następuje rozpad trytu, i w efekcie wytworzenie Helu-3 oraz strumienia elektronów.
Alternatywnym, przyszłościowym źródłem, nad którym pracują agencje kosmiczne (ESA, NASA), jest wydobycie helu-3 z wiatru słonecznego osadzonego w glebie księżycowej (regolicie).
****************************
W aneksie wykorzystałem, dane zawarte, między innymi, w publikacji:
NIEZWYKŁE WŁAŚCIWOŚCI HELU W KRIOGENICZNYCH TEMPERATURACH
„Wszechświat”, t.113; Nr 8-9/2013)
autor: dr inż. Jakub Niechciał.
Katedra Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej Politechniki Wrocławskiej
Dodaj komentarz