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15噸氦-3是我國一年的能源量?

2020-12-03 09:58  來源:沐春風(fēng)LEE  瀏覽:  

2020年11月24日凌晨4:30分,在我國文昌航天發(fā)射場,長征五號運(yùn)載火箭成功地將嫦娥五號探測器送到了預(yù)定軌道,開啟了我國首次地外天體采樣之旅。

中國航天人經(jīng)過幾十年的潛心努力,從定位探月項(xiàng)目開始,已經(jīng)經(jīng)歷了繞、落兩個階段。這次嫦娥五號再次探月,計(jì)劃帶回2千克月壤。從而實(shí)現(xiàn)繞、落、回三步走發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)。

進(jìn)入新世紀(jì),國家把深空探測列入重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

目前的通信、氣象、資源等應(yīng)用衛(wèi)星都是因?yàn)閾碛懈呶恢枚l(fā)揮作用,月球比衛(wèi)星更“高”,從那里回望地球必然有不同效果;月球上重力只有地球的六分之一,而且沒有磁場。如果能在月球上生產(chǎn)新型合成材料或生物藥品,將會比地球上有更好的效果;月球沒有大氣,在月球上用40厘米直徑望遠(yuǎn)鏡的觀測宇宙,其效果就相當(dāng)于地球8米直徑的望遠(yuǎn)鏡;就礦產(chǎn)和能源資源而言。人類在月球上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)月巖中有100多種礦物,僅月球上的氦3最保守估計(jì)可供全世界使用1萬年。如何利用,只是時間問題。

任何事實(shí),擁有主動權(quán)是最好的維護(hù)權(quán)益的利器。月球資源有目共睹,但不是別人給予。自己動手,豐衣足食。是對資源擁有和分配的最生動的寫照。

從技術(shù)角度上考慮,探月工程將推動基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)新突破,也代表一個國家的創(chuàng)新能力。同時,深空探測技術(shù)和成果,也是衡量一個國家綜合國力和文明程度的重要指標(biāo)。

基于上述事實(shí),對月球的探測順理成章地成國家太空發(fā)展首要任務(wù)。我國的探月工程始于2004年。目前已經(jīng)取得了任務(wù)的多次成功。2007年10月24日,嫦娥一號掀開了嫦娥探月工程的大幕,它全方位地考察了月球的總體情況。

此后,我國又先后經(jīng)歷:2010年10月1日,嫦娥二號對月球的探測任務(wù);

2013年12月14日,嫦娥三號和玉兔一號軟著陸月球,成為37年內(nèi)再次訪問月球的人類使者。

2014年11月1日,嫦娥五號T1試驗(yàn)器觸發(fā)驗(yàn)證,為這次嫦娥五號采樣返回任務(wù)作更多的技術(shù)儲備。

2018年5月21日,鵲橋號出發(fā),成為人類唯一地球與月球背后通信中繼衛(wèi)星。

2019年1月3日,嫦娥四號和玉兔二號成功著陸月球背面南極艾特肯盆地,實(shí)現(xiàn)了人類探測器首次在月球背面軟著陸。

如今,嫦娥五號在完成任務(wù)的同時,還將對我們的深空技術(shù)進(jìn)行極限挑戰(zhàn)。本次探月,探測器再將在月球正面呂姆克山脈附近著陸,這個位置從未有過其他國家到達(dá)過。如果成功,中國是繼美國和前蘇聯(lián)之后第三個取得月亮樣本的國家。

上述信息,相信你已大致了解我國探月工程的來龍去脈。今天重點(diǎn)和大家分享一下,這次嫦娥5號對月球資源方面的探索。

科學(xué)家預(yù)計(jì),目前全球煤炭還能開采100年,石油70年。核電需要的鈾礦,按目前發(fā)展速度僅能用50年。地球本土能源的日益匱乏與人類對能源需求日益增長的矛盾日趨嚴(yán)重。新能源的開發(fā)及發(fā)現(xiàn)也已提到人類發(fā)展的日程。

所幸,通過多半個世紀(jì)人類對月球的考察及研究,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)月巖中含有很多種物質(zhì)和能源。月壤中,氧占40%,它是推進(jìn)劑和受控生態(tài)環(huán)境生命保障系統(tǒng)的供氧源;硅占20%,它是制作太陽電池陣的原材料。其他元素的比例約是,鉛7%、鎂5%、鐵8%、鈣9%、鈦5.5%,鈉、鉀、錳含量占千分之幾,鋯、鋇、鈧、鈮含量為萬分之幾。

把月球土壤樣品加熱到2000攝氏度后,科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)有惰性氣體從月壤中逸出,其中有氦、氬、氖、氙等放射性粒子。更可喜的是,月球上還富含地球上少有的清潔能源氦-3,它是核聚變反應(yīng)堆的理想燃料。它就是今天我們要分享的重點(diǎn)。

氦-3至今一直被人們稱為人類的未來能源。地球之所以稀缺,主是地球的磁場和厚厚的大氣層阻擋了太陽持續(xù)不斷地釋放的氦-3,目前整個地球的氦-3僅有15噸左右,尚不能支持我國1年的用電量。但是,月球40多億年來,一直不斷地吸收和積累著太陽釋放的氦-3。根據(jù)計(jì)算,從月球表面到地底下數(shù)米深的地方大概有110萬噸氦-3。同時,在核聚變反應(yīng)中,氦-3聚變釋放出的能量是所有核聚變反應(yīng)中最大的。再者,氦-3的熱核反應(yīng)堆中沒有中子,故使用氦-3作為能源時不會產(chǎn)生輻射,不會為環(huán)境帶來危害。因此氦-3是核聚變最理想也是最清潔的燃料。

目前全世界所有的人口,所有的國家的城市,一年的用電量只需要一百噸的氦-3就能完成。保守估計(jì)月球的氦-3可供全世界開采10000年。如果這次嫦娥五號成功完成任務(wù),我們就可以進(jìn)一步明確月球上氦-3的存貯量,也為后繼的開發(fā)劃提供重要的依據(jù)。

特斯拉CEO埃隆.馬斯克,他一直在為移民火星計(jì)劃做著努力。但,實(shí)質(zhì)上,他知道火星移民只有70%的機(jī)會能夠成功,也很有可能一去不復(fù)返。埃隆馬斯克的太陽能面板廠SolarCity也一直在探索移民及火星的供電問題。其實(shí),不管是往返地外天體,還是早期移民的問題。能源永遠(yuǎn)是首當(dāng)其沖的問題。相對于火星,遠(yuǎn)沒有只離地球38萬公里月球更實(shí)際。

近幾十年來,人類也一直沒有迎來對新技術(shù)理論的重大突破,不難發(fā)現(xiàn)能源的瓶頸也許是影響發(fā)展的重要的障礙之一。

目前,就全球而言,煤炭,石油,天然氣依然是最主要的能源來源,但是可開發(fā)量,也所剩不多。而目前最主要新能源領(lǐng)域,包括中核發(fā)電、大型水電等,都無法從根本性地解決能源安全的問題。

據(jù)統(tǒng)計(jì),目前地球上大概有20%的能源來自于核裂變反應(yīng)。但,自從經(jīng)歷1979年,美國三里島核事故,1986年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故一架。2011年日本福島核事故這三起核事故后,人類對核電站發(fā)展的信心產(chǎn)生了質(zhì)疑,使得全球核電站發(fā)展蒙上一層重重的陰影。

特別是在2011年福島核泄漏事故發(fā)生后,許多國家開始重新對核電站的發(fā)展重新評估。日本叫停了全國所有的核電站,法國宣布到2030年將國內(nèi)核電站發(fā)電占比從75%下降到50%。美國暫緩的所有核電站申請的批復(fù),我國暫停了所有核電站新項(xiàng)目的審批等。許多國家開始不同程度地?cái)R置的核電站的項(xiàng)目。到目前為止,人類還沒有一個比較好的方法處理核電出現(xiàn)在的負(fù)面影響。

這種情況下,如果有氦-3的作為新能源的補(bǔ)充,情況就會另一番景象。

由于氦-3可以與氫的同位素氘進(jìn)行核聚變反應(yīng),與一般的核聚變反應(yīng)不同,氦-3在核聚變的整個過程中不產(chǎn)生中子,它放射性非常小,而且整個反應(yīng)非常易于控制。氦-3在整個反應(yīng)過程中輻射性產(chǎn)物僅為1%到5%左右。也可以有效杜絕類似于福島核泄漏事故后,核輻射的問題??梢哉f它既環(huán)保又安全。

如果采用氘和氦進(jìn)行核聚變反應(yīng)發(fā)電,相對于而2019年我國煤炭消耗的48.6億噸,每年只需要20噸左右的氦-3就可以滿足我國一年能源的需求。

雖然,目前人們對氦-3的研究還不是特別成熟,但是可以肯定的是,以氦-3為代表的第三代核聚變材料是一種安全,清潔,并且非??煽康男履茉础T谀壳捌渌履茉醇夹g(shù)在經(jīng)濟(jì)性上不具備競爭力的情況下,氦-3是非常值得去研究和探索的。

另一方面,氦-3也是非常完美的火箭推進(jìn)器的燃料??梢哉f對于未來星際移民、深空探索也至關(guān)重要。

目前全球平均電價計(jì)算,一噸的氦-3價值大概在四百億美元以上。所以理論上開發(fā)一噸的成本小于四百億美元都是劃算的。

如果能夠在月球上實(shí)現(xiàn)氦-3的量產(chǎn),按目前的航天飛機(jī),僅一個晝夜就可以把數(shù)噸氦-3運(yùn)回地球。如果這個設(shè)想能夠?qū)崿F(xiàn),按照科學(xué)的計(jì)算成本,大概是現(xiàn)在核電站發(fā)電成本的十分之一不到,加上它安全和環(huán)保的特性。月球上的氦-3具有巨大的開發(fā)前景。所以,嫦娥五號探測器這次的任務(wù)這次顯得尤為重要。

這次任務(wù)將是人類在時隔44年后再次嘗試獲取月球土壤樣本??傊?,預(yù)祝嫦娥五號能夠順利完成任務(wù),滿載而歸。

它將是中國乃至整個人類深空發(fā)展史上濃墨重彩的一筆。

  核燃料
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