未來20年,航天也許將面臨前所未有的突破.

                發布時間:2023-07-21

                未來20年,航天也許將面臨前所未有的突破.

                 

                摘要

                 

                氦-3是一種氦的同位素,核內有兩個質子和一個中子,不同于普通的氦-4,核內有兩個質子和兩個中子。

                氦-3具有獨特的性質,可以在熱核反應堆中高效安全地使用。

                氦-3在地球上極為稀缺,但在月球上相對豐富,是太陽風的產物。

                氦-3可以成為太空飛行器和基地的強大能源,也可以從月球開采和運送到地球。

                在未來20年內,預計太空探索將取得重大突破,與開發月球和利用氦-3有關。

                 

                引言

                 

                太空探索是人類活動中最有前景和令人興奮的領域之一,它為探索和利用太空空間提供了無限的可能性。然而,太空探索也面臨著嚴峻的技術和經濟問題,阻礙了它的發展。其中一個問題就是能源問題。

                 

                能源問題是指太空旅行和探險需要大量的能源,而在太空環境中難以獲得和使用?,F有的太空能源方式有以下缺點:

                 

                化學火箭發動機是將太空飛行器送入軌道和星際軌道的最常用方式。但是化學火箭發動機效率低(比沖不超過450秒),需要大量的燃料(占火箭質量的大部分),并在發射時污染環境。

                 

                太陽能電池是為太空飛行器的艙內系統提供電力的最常用方式。但是太陽能電池效率低(不超過30%),依賴于距離太陽和太陽輻射入射角度,易于磨損和受到微隕石和太空塵埃的損害。

                 

                核反應堆是為遠程和長期任務的太空飛行器提供電力的替代方式。但是核反應堆成本高,復雜重,需要特殊的安全措施和防輻射保護,并引起公眾不滿和政治爭議。

                 

                因此,有必要尋找新的太空能源來源,它們應該是高效、安全、環保和經濟的。其中一個來源就是氦-3。

                 

                什么是氦-3?

                 

                氦-3是一種氦的同位素,核內有兩個質子和一個中子,不同于普通的氦-4,核內有兩個質子和兩個中子。氦-3是一種無色無味無臭無毒的氣體,在溫度低于3.2K(-269.8°C)時變為超流體。

                 

                氦-3具有獨特的性質,可以在熱核反應堆中高效安全地使用。熱核反應是指輕核(如氫)融合成重核(如氦)時釋放出巨大能量的反應。熱核反應在恒星中發生,包括太陽,并且是宇宙生命的基礎。

                 

                然而,在地球上啟動熱核反應需要非常高的溫度(約100百萬度)和壓力(約1000億帕),以克服正電荷的庫侖斥力。為了達到這些條件,使用了不同的方法來加熱和壓縮等離子體——由自由電子和核組成的離子化氣體。

                 

                有幾種不同的熱核反應可以用來獲取能量。最研究和開發的是氘(D)和氚(T)的融合反應——氫的同位素,核內分別有一個和兩個中子:

                D + T -> He-4 + n + 17.6 MeV

                 

                這個反應在相對低的溫度(約15百萬度)下有最大的概率(截面),并且可以在托卡馬克中實現——環形的帶有磁線圈的室,產生強烈的磁場來制造強烈的磁場,囚禁和加熱等離子體。

                 

                這個反應的缺點是它產生高能中子,它們可以穿透反應堆的壁,造成輻射損傷和放射性廢物。此外,氚是一種放射性同位素,有毒且稀缺,需要通過鋰的中子俘獲來制造。另一個可能的熱核反應是氦-3和氘的融合反應:He-3 + D -> He-4 + p + 18.4 MeV

                 

                這個反應的優點是它產生正電子(質子),它們可以被電磁場捕獲和利用,而不會損壞反應堆的壁。此外,氦-3是一種非放射性同位素,無毒且安全,不需要通過其他反應來制造。

                 

                然而,這個反應的難度也更大,因為它需要更高的溫度(約100百萬度)和更大的概率(截面),才能克服氦-3和氘之間更強的庫侖斥力。因此,這個反應需要更先進的技術來實現,例如慣性約束聚變(ICF)或激光聚變。

                 

                氦-3在哪里?

                 

                氦-3在地球上極為稀缺,因為它很難從自然界中產生或分離。地球上的氦-3主要來源于以下途徑:

                 

                宇宙射線轟擊:當高能宇宙射線與大氣中的原子核碰撞時,會產生一系列的核反應,其中一些會生成氦-3。然而,這個過程非常低效,每年只能產生約300克的氦-3。

                三氚衰變:三氚是一種放射性同位素,有兩個質子和一個中子,在12.3年的半衰期內衰變為氦-3和電子。三氚可以在自然界中由鋰、硼等元素的中子俘獲產生,也可以在人工核反應堆中由鋰或重水的中子俘獲產生。然而,三氚的總儲量也很有限,估計只有約20噸。

                原子彈爆炸:在原子彈爆炸時,會產生大量的中子和高溫高壓的環境,有利于氦-3的生成。據估計,在20世紀進行的核試驗中,共產生了約230噸的氦-3。然而,這些氦-3大部分散失在大氣中,只有少部分被收集和儲存。

                 

                因此,地球上的氦-3總儲量非常有限,估計只有約30噸。如果要用它作為熱核能源,就需要尋找其他來源。而最有可能的來源就是月球。

                 

                月球上的氦-3主要來源于太陽風。太陽風是由太陽表面不斷噴發的高能帶電粒子組成的流動,其中包含約1%的氦-3原子核。由于月球沒有大氣層和磁場,太陽風可以直接轟擊月球表面,并將氦-3等元素植入到月壤中。經過數十億年的積累,月球表層形成了一層富含氦-3的薄膜。

                據估計,月球表層的氦-3含量約為10-15 ppm,即每噸月壤中含有10-15克的氦-3。如果將月球表層的前3米挖掘出來,可以獲得約110萬噸的氦-3。這相當于地球上所有化石燃料的能量的幾百倍。

                 

                氦-3的用途

                 

                氦-3可以作為一種強大而清潔的能源,為太空探索和地球發展提供動力。氦-3的主要用途有以下幾個方面:

                 

                太空飛行器的推進:使用氦-3和氘的熱核反應,可以為太空飛行器提供高效而持久的推進力。相比于化學火箭發動機,氦-3熱核發動機可以大大降低質量比和比沖,從而提高有效載荷和飛行速度。例如,使用氦-3熱核發動機,可以在幾天內從地球飛到火星,而不是幾個月。

                 

                太空基地的供電:使用氦-3和氘的熱核反應,可以為太空基地提供穩定而充足的電力。相比于太陽能電池,氦-3熱核反應堆可以不受太陽光照和溫度變化的影響,而且占用空間更小,維護更簡單。例如,使用氦-3熱核反應堆,可以為月球基地或火星基地提供長期而可靠的能源。

                 

                地球的供電:使用氦-3和氘的熱核反應,可以為地球提供清潔而安全的電力。相比于傳統的裂變或聚變反應堆,氦-3熱核反應堆不會產生放射性廢物,也不會造成核泄漏或核擴散的風險。例如,使用1噸的氦-3和0.67噸的氘,可以產生19.6吉焦(5.4兆瓦時)的能量,足以滿足100萬人一年的用電需求。

                 

                結論

                 

                氦-3是一種具有巨大潛力的太空能源,它可以解決太空探索和地球發展中面臨的能源問題。然而,要實現這一目標,還需要克服許多技術和經濟的障礙,例如:

                 

                開采和運輸:要從月球上獲取氦-3,需要建立有效和可持續的開采和運輸系統,包括月球車、月球軌道器、返回艙等設備。這些設備需要高度的自動化和可靠性,以降低人力和物力的消耗。

                存儲和處理:要在地球上使用氦-3,需要建立安全和高效的存儲和處理系統,包括冷卻罐、分離裝置、純化裝置等設備。這些設備需要高度的密封和監控,以防止氦-3的泄漏和浪費。

                聚變技術:要利用氦-3進行聚變反應,需要建立先進和穩定的聚變技術,包括慣性約束聚變或激光聚變等方法。這些方法需要高度的精確度和控制,以達到所需的溫度和壓力。

                 

                在未來20年內,預計太空探索將取得重大突破,與開發月球和利用氦-3有關。一些國家和組織已經制定了相關的計劃和目標,例如:

                 

                中國:中國于2013年成功發射了嫦娥三號探測器,實現了月球軟著陸和巡視探測。中國還計劃在2024年發射嫦娥五號探測器,實現月球采樣返回。中國的長期目標是在2030年前建立月球基地,并開展氦-3的開采和利用。

                 

                印度:印度于2008年成功發射了月船一號探測器,實現了月球軌道探測。印度還計劃在2023年發射月船二號探測器,實現月球軟著陸和巡視探測。印度的長期目標是在2030年前建立月球基地,并開展氦-3的開采和利用。

                 

                俄羅斯:俄羅斯于2011年失敗地發射了奔月號探測器,試圖實現月球軌道探測和采樣返回。俄羅斯還計劃在2025年發射奔月二號探測器,實現月球南極的軟著陸和巡視探測。俄羅斯的長期目標是在2030年前建立月球基地,并開展氦-3的開采和利用。

                 

                美國:美國于2009年成功發射了月球勘測軌道飛行器(LRO)和月球墜落撞擊探測器(LCROSS),實現了月球軌道探測和南極撞擊分析。美國還計劃在2024年發射阿爾忒彌斯計劃的宇航員,實現人類重返月球。美國的長期目標是在2030年前建立月球基地,并開展氦-3的開采和利用。

                 

                歐盟:歐盟于2018年成功發射了小行星與月球探測器(SMART-1),實現了月球軌道探測。歐盟還計劃在2025年發射小行星與月球探測器二號(SMART-2),實現月球南極的軟著陸和巡視探測。歐盟的長期目標是在2030年前建立月球基地,并開展氦-3的開采和利用。

                 

                綜上所述,氦-3是一種具有巨大潛力的太空能源,它可以為太空探索和地球發展提供動力。然而,要實現這一目標,還需要克服許多技術和經濟的障礙,以及與其他國家和組織的合作與競爭。氦-3的未來將取決于人類對太空的渴望和努力。

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