嫦娥五号从月球正面带回样品已经5年多过去了,这些宝贵的月球样品仍是全球科学家竞相研究的热点对象。科学家从中不但能够了解月球过去的演化史,而且还有一个极为重要的目标,那就是找到月球样品中的氦-3,并把氦-3提取出来。
氦-3具有极高的价值,根据美国的一份报告,氦-3的售价为每升2500美元,相当于每吨190亿美元!那么,氦-3究竟有什么作用,为何价值如此之高?
氦是元素周期表中的2号元素,它有两种稳定的同位素,一种是包含两个质子和两个中子的氦-4,还有一种是包含两个质子和一个中子的氦-3。氦-4的性质极为稳定,而氦-3核子平均结合能要比氦-4低了很多,这使得氦-3可以更容易发生核聚变反应,释放出巨大的能量。
氦-3的核聚变反应有两种形式,一种是两个氦-3发生核聚变反应,产生一个氦-4,两个质子,并释放一定的能量。另一种是一个氦-3和一个氘(氢-2)发生核聚变反应,产生一个氦-4,一个质子,并释放一定的能量。
目前正在研究的可控核聚变主流方式是利用氘(氢-2)和氚(氢-3)的核反应,结果会产生高能中子,这会让反应堆组件带上放射性。所以这种核聚变反应,很重要一点是还要做好防辐射工作。
相比之下,氦-3不但自身没有放射性,而且其唯一的高能副产物——质子,本身是带正电荷的,可以通过电磁场来控制质子的运动,使其动能也可以转化为电能,直接增加总发电量。所以,氦-3是十分理想的清洁核聚变燃料,具有巨大的应用潜能。
此外,在超导量子计算机的运行过程中,需要保持极低的温度才能高效精确运行,而氦-3可以让超导量子计算机在接近绝对零度的超级低温环境中工作。目前,正处于超导量子计算机应用的前夜,拥有丰富的氦-3就能助力制造更大更复杂的计算机。最终,氦-3带来的超导量子计算机的广泛应用,将会加速生物学、医学等许多科学领域研究的突破,重塑行业格局。
然而,地球上的氦大都是氦-4,而氦-3的储量极少,其自然界丰度仅为0.000137%。由于氦-3具有极高的应用价值,并且储量又非常少,这使得氦-3具有无与伦比的价值。
而在月球上,氦-3的储量要比地球大得多。氦-3主要来自于太阳,太阳在核聚变反应过程中会产生氦-3,其中一部分会以高能粒子的形式被高速抛射出来,从而形成太阳风。由于地球存在大气层和磁场,这会阻隔太阳风到达地球表面,所以地球上的氦-3极为稀少,地表的储量估计还不到1吨。
月球的情况则大为不同。因为月球几乎没有大气层和磁场包裹住表面,这使得太阳风会直接轰击月球表面。经过40多亿年的太阳风轰击,在月球表层数米深的范围内,积累了大量的氦-3,总储量估计超过100万吨。
氦-3用于发电的效率估计是煤炭的千万倍,只需要很少量的氦-3就能产生巨大的能量。按照目前全球能量消耗总量来计算,100吨氦-3用于发电就足够全人类使用1年。所以,月球上的氦-3可供全球使用成千上万年。
除了月球之外,太阳系中的其他天体上也有氦-3。水星距离太阳非常近,而且没有大气层,磁场十分微弱,其氦-3的储量很可能远高于月球。木星、土星及其各自的卫星上都有氦-3的存在。因此,太阳系中可开采的氦-3还是很多的。
分析显示,嫦娥五号带回的月球样品中确实存在氦-3。我国科学家已经在研究如何从月壤中提取氦-3,一种方法是通过高温加热月壤来提取氦-3,目前已获得了最佳萃取温度。另外,我国科学家还发现,通过机械破碎方法能够分离出以气泡形式储存的氦-3,该方法只需要常温就行。
正是看到了氦-3的巨大价值,一些国家和民企正计划去月球开采氦-3。美国一家公司预计,只要安装5台月球矿机,将来每年就能生产至少10公斤的氦-3,价值接近2亿美元。
目前,中国和美国都有计划开展载人登月,不但要把人送上月球,而且还计划在月球上建造长久性基地,实现人的长期驻留。月球上除了氦-3,还有其他一些稀有甚至独有的矿物,这些都有待未来去开采。相信,未来的月球将会是一片热闹的景象。
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