Kategorie
Kosmologia

Energia z Księżyca

Nie wszystkie neutrony zostaną jednak wchłonięte przez lit. Niektóre absorbuje stal lub inne materiały, z których wykonana jest konstrukcja reaktora, osłona, rury i tym podobne elementy. W rezultacie metalowa struktura reaktora stanie się radioaktywna. Tak więc, mimo że sama reakcja fuzji D-T nie powoduje powstawania radioaktywnych odpadów, niestety, materiały radioaktywne tworzą się w reaktorze na skutek absorpcji neutronów przez różne elementy jego konstrukcji. W zależności od stopów, jakie zostaną użyte do budowy, reaktor termojądrowy D-T będzie generował 0,1-1% odpadów radioaktywnych, które dostarczałby reaktor jądrowy produkujący tyle samo energii. Ludzie popierający rozwój fuzji mogą stwierdzić, że jest to olbrzymi postęp w stosunku do reaktorów wykorzystujących rozpad radioaktywny. To prawda. Pozostaje jednak pytanie, czy jest to postęp dostateczny, by zadowolić zwolenników ochrony środowiska.

Innym problemem związanym z reaktorami D-T są uszkodzenia w strukturze ścian, wyrządzane przez uderzające w niej z olbrzymią prędkością neutrony. Z czasem te uszkodzenia skumulują się i prawdopodobnie co 5-10 lat trzeba wymieniać ścianę na nową. Ponieważ stara ściana będzie radioaktywna, cała operacja będzie czasochłonna i kosztowna. Z pewnością źle wpłynie to na bilans ekonomiczny elektrowni wykorzystujących reakcje fuzji.

Kluczem do otrzymania taniego źródła energii z reakcji fuzji jest więc znalezienie alternatywy do reakcji D-T; opracowanie takiej reakcji, w wyniku której nie powstawałyby neutrony. Taką alternatywę oferuje nam reakcja deuteru z helem 3. Przebiega ona następująco:

Reakcja ta dostarcza około 18 MeV energii i nie powoduje powstawania neutronów. Oznacza to, że w reaktorze D-³He stal w zasadzie nie podlega napromieniowywaniu, a pierwsza ściana przetrwa znacznie dłużej, gdyż właściwie nie jest bombardowana neutronami. (Mówię „w zasadzie” i „właściwie”, ponieważ nawet w reaktorze D-³He występują w niewielkich ilościach uboczne reakcje D-D między jądrami deuteru i w ten sposób produkowane są neutrony). Nie potrzeba też żadnej osłony ani rur. Energia produkowana przez reaktor (występująca w całości w postaci naładowanych cząsteczek) może być przetwarzana bezpośrednio na energię elektryczną metodami magnetohydrodynamicznymi z wydajnością dwukrotnie wyższą, niż jest w stanie zaoferować jakakolwiek turbina.

Natrafiamy jednak na dwa problemy. Po pierwsze, reakcję D-³He trudniej zapoczątkować niż reakcję D-T, wymaga to bowiem uzyskania parametru Lawsona o wartości około 1 x 1022 keVs/m³. Nie jest to problemem krytycznym, oznacza tylko, że reaktory D-³He muszą być nieco większe lub mieć bardziej szczelną pułapkę magnetyczną niż reaktory D-T. Jeżeli uda nam się zbudować reaktor D-T, powstanie reaktora D-³He jest kwestią kilku lat. Większy problem stanowi natomiast to, że hel 3 nie występuje na Ziemi. Występuje natomiast na Księżycu.

Wiatr słoneczny zawiera małe ilości helu 3. Przez długie tysiąclecia bombardowania regolitowej powierzchni Księżyca „naniósł” na nią około 4 ppb (jednostek na miliard) tego unikalnego izotopu.

Cztery cząstki na miliard to nie jest dużo – w większości substancji byłaby to liczba na tyle mała, by całkowicie wykluczyć jakikolwiek ekonomiczny sens wydobywania w celach przemysłowych. Przy 4 ppb musisz przetworzyć 250 tysięcy ton surowego materiału, by otrzymać kilogram produktu. Z pewnością szaleństwem byłoby wydobywanie złota przy tak niesprzyjających warunkach. Hel 3 jest jednak znacznie cenniejszy niż złoto. Kilogram złota, po dzisiejszych cenach, wart jest 15 tysięcy dolarów. Natomiast kilogram helu 3 przetworzony na energię w reaktorze fuzyjnym metodą magnetohydrodynamiczną o wydajności 60% dostarczy 100 milionów kilowatogodzin (kWh) elektryczności. Po średnich cenach (6 centów za kWh) oznacza to produkt o wartości 6 milionów dolarów. Innymi słowy, gdyby jakieś przedsiębiorstwo chciało przeznaczać jedną szóstą swojego dochodu brutto na paliwo, hel 3 można by sprzedawać po milion dolarów za kilogram. To tak ogromna suma, że nawet przy obecnych cenach transportu w przestrzeni kosmicznej opłacałoby się wydobywać hel 3 na Księżycu i przewozić go na Ziemię.

Niestety, tak czy inaczej, cały czas pozostaje problem przetworzenia 250 tysięcy ton księżycowego regolitu, by ów izotop helu otrzymać. Oznaczałoby to przekopanie obszaru 1 km x 1 km x 10 cm i przepuszczenie całego zebranego regolitu przez system grzejników i kruszarek, w których gleba podgrzewana byłaby do temperatury 700°C, aby spowodować uwolnienie się helu 3 i wszystkich innych lotnych substancji (w tym występującego w tysiące razy większej obfitości i zupełnie nic nie wartego helu 4). Gdyby maszyneria mogła przetworzyć 5 ton na minutę, cały proces zająłby około 35 dni, przy założeniu, że aparatura pracowałaby bez przerwy.

Następnie trzeba by przeprowadzić selekcję izotopów i oddzielić kilogram helu 3 od 2500 kilogramów pospolitego helu 4. Można to osiągnąć, oziębiając hel do bardzo niskiej temperatury: hel się rozwarstwi, gdyż różne jego izotopy mają różną temperaturę wrzenia.

W procesie produkcji kilograma helu 3 przetwarzałoby się dostatecznie dużo gleby księżycowej, by przy okazji wydobyć 10 ton przyniesionych przez słoneczny wiatr azotu, wodoru i węgla. Co prawda to dość mało, by wystarczyło na zaopatrzenie kolonii księżycowej, lecz na potrzeby bazy górniczej zasoby te okazałyby się jak znalazł.

Przetworzenie 250 tysięcy ton księżycowego pyłu, aby zarobić milion dolarów (wypada 4 dolary za tonę), może wydawać się ciężkim kawałkiem chleba. Rzeczywiście, bez w pełni zautomatyzowanych fabryk raczej nie byłoby to dochodowe. Ponieważ jednak proces przetwarzania regolitu jest dość prosty, niewykluczone, że możliwe będzie jego zautomatyzowanie. Łatwo można wyobrazić sobie grupy zdalnie sterowanych buldożerów szybko przerzucających księżycowe skały na taśmociąg, który transportowałby je do pieca. W jednym okręgu wydobywczym potrzeba by było dwóch pieców: zamkniętego, wypiekającego regolit, oraz otwartego, napełniającego się skałami (w ten sposób uniknęlibyśmy przestojów związanych z napełnianiem, ponieważ piece działałyby na zmianę). Po uwolnieniu z regolitu związków lotnych otwierałaby się klapa, przez którą osuszony materiał trafiałby na drugi taśmociąg, a do pieca wsypywałaby się następna porcja regolitu. W tym czasie drugi piec zostałby zamknięty i zaczynał wypiekanie. Po uwolnieniu gazów ze skał można by je dalej przetworzyć, wykorzystując standardowe metody obróbki płynami, używane w inżynierii chemicznej, które również łatwo jest zautomatyzować.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.