2012. aug 09.

14. Csillag a Földön – Bányák az űrben?

írta: Erika_
14. Csillag a Földön – Bányák az űrben?

tokamak.jpgHa az űrprogramoknak köszönhető technikai vívmányokat fel szeretnénk sorolni, nagyon hosszú listára kellene felkészülnünk. A jövőre nézve azonban egy nagyon kritikus témakör foglalkoztatja a tudósokat: bányászat a Holdon (még vadabb álmainkban a távolabbi űrben).

A modern technika nem létezne ritkaföldfémek nélkül. A szükséglet pedig nőttön nő, elsősorban a fejlődő országoknak köszönhetően. Ahogy nevük is elárulja, a ritkaföldfémekből nincsen sok a Földön, és azok kinyerése is költséges. A problémát fokozza továbbá, hogy  a legtöbb bánya Kína területén található (95-97 % ), s mivel a saját igényük is gyorsan növekszik kijelentették, limitálni fogják az exportált ritkaföldfémek mennyiségét. Mivel egyes meteorok halmozott mennyiségben tartalmazzák ezeket az elemeket, jött az ötlet, hogy talán az űrben lehetne szétnézni. Nem kell nagyon utánaszámolni ahhoz, hogy el tudjuk hinni, akármilyen messzire nem mehetünk bányászni, az egyetlen dolog, ami igazán szóba jöhet, a Hold. Sajnos a Holdról gyűjtött kőzetminták nem azt sugallják, hogy érdemes ott bányászni - vagy mégis?

Ugyan holdvilágunk egyelőre nem csábít a ritkaföldfémekért fel minket, de az esetleges újabb Hold programoknak lehet egy közvetlen hasznú célja, a Hélium-3 bányászat.

309px-Nuclear_fission.pngNapjaink másik nagy problémája a nyersanyaghiány mellett a még többet hangoztatott energiahiány és annak megoldására szolgáló alternatív energiaforrások. A megújuló energiaforrások nagyszerű kiegészítő lehetőségek, azonban az emberiség egyre növekvő energiaigényét nem képesek kielégíteni. Erre a legvalószínűbb megoldás a fúziós erőművek kifejlesztése.

A jelenlegi atomerőművek urán 235-ös izotópjának neutronbombázással kiváltott hasadásával működnek. Fúzió során könnyű atomok nagy energiájú ütköztetése során keletkeznek nagyobb atomok. Legtöbbet vizsgált folyamat trícium és deutérium fúziója, ami során hélium és neutron keletkezik.

fusion.gif

Jelenleg két módszerrel indukálnak fúziót, illetve hozzák létre az elegendően magas hőmérsékletű és nyomású plazmát (magas hőmérsékletű anyag, mely tulajdonképpen gerjesztett ionok és szabad elektronok keverékének tekinthető, így elektromosan vezető). Az ITER-ben (Franciaország), ami a legnagyobb fúziós kísérleti reaktor, mágneses térerő segítségével indítják a fúziós reakciót, úgynevezett tokamak berendezésben, ami lelke egy toroidális (úszógumi, vagy amerikai fánk alakú) mágnes.

Tokamak_Schematic.gif

A másik módszerrel inkább az USA-ban kísérleteznek, ez az ún. „inerciális” fúzió, ahol egy lézersugárral közvetítenek hirtelen nagy energiát.

A fúziós erőművek nagy előnye, hogy „tiszta” energiaforrást jelentenének, mivel nincs sem radioaktív, sem egyéb környezetszennyező melléktermékük. Bár a fúzió mindennapos jelenség életünkben, hiszen a Nap melege, és a többi csillag fénye is fúziós reakciók eredménye, kontrollált körülmények között energiatermelés céljából a Földön megvalósítani nagyon bonyolult feladat. A XX. század fejleményei, köztük elsősorban a repülés és űrrepülés, azonban arra emlékeztetnek, hogy ha valamit igazán közös erővel akarunk, akkor nincs lehetetlen. Ha valaki még nem látta az October Sky című igaz történeten alapuló filmet, most szeretném ajánlani, és vele minden tehetséges fiatalt buzdítani, mivel a mostanában is vannak olyan ifjak, akik mernek álmodni, és az álmuk megvalósításáért meg is tesznek mindent.

Íme egy nem mindennapi tinédzser, aki csillagot akart készíteni – sikerült (hozzáteszem erős szülői és a nevadai egyetem általi támogatással).

... és nem ő az egyetlen fiatal követendő példa.

A csillaggal azonban több gond is van. Az egyik legnagyobb probléma, hogy egyelőre több energiát eszik, mint sugároz. Ezzel a gonddal küzdenek kutatócsoportok is sokkal kifinomultabb berendezésekben. Ezért is van az a mondás, hogy „A fúzió a jövő energiaforrása- és mindig az is marad”.

Egy alternatív megoldás a fúziós reakciók között deutérium és Helium-3, vagy két hélium-3 izotópok ütköztetése. A reakció úgynevezett neutronmentes fúzió, mivel hidrogén és hélium-4 keletkezik a fúzió során, mégpedig nagyobb energiával, mint amit két deutérium, vagy trícium és deutérium fúziója produkál (mellesleg a trícium radioaktív izotóp, míg a deutérium és a hélium-3 teljesen ártalmatlanok).

fusion_cycle.JPG

G. Kulcinski (UW-Madison) foglalkozik ezzel a típusú fúziós reakcióval legbehatóbban, erről bővebben itt lehet olvasni. Ez az eljárás rengeteg előnnyel rendelkezik a „klasszikus” deutérium-trícium (D-T) fúzióval szemben: nem keletkeznek gyors neutronok, amik tönkreteszik magát a reaktort, így nem kell annak belső falát cserélgetni (egyesek szerint ez egy megoldhatatlan probléma elé állítja a D-T fúzióval foglalkozókat), kisebb energiával indítható a reakció, a keletkező részecskék töltéssel rendelkeznek, így azok közvetlen elektromos energiát szolgáltathatnak,  ezzel jobb hatásfokot kölcsönözve a reaktornak (link egy MIT-s prezentációhoz).

Kis méretben a reaktor (egyelőre negatív energiamérleggel) működik, azonban a hatékony működéshez, illetve méretnöveléshez egyelőre több hélium-3 kellene, ami borzalmasan drága: tavaly 7000$/g volt. Probléma ugyanis a kiindulási anyag hozzáférhetősége. Hélium-3 az űrben egészen gyakori izotóp, mi is kapjuk a napszéllel, azonban a légkörünkön már nem jut át. A Hold viszont légkör híján elnyeli, és viszonylag nagy koncentrációban halmozta fel az évmilliók során.  Kinyerése azonban így sem egyszerű, magas hőmérsékletre (700°C) kell hevíteni a holdport és kőzetet, hogy aztán kinyerhessék a gázt. Ki is fejlesztettek egy berendezést, amely napenergia segítségével képes lokálisan felmelegíteni a kőzetet maga alatt, és a Holdon sétálgatva Hélium-3-at gyűjteni. Az éles bevetés azonban várat még magára.

Noha az Hold-bányászat most is science fiction-nek tűnhet, az eredmények alapján a professzor már a 80’-as években szorgalmazta a hélium-3 célba vételét, azonban eddig sikertelenül. Az elmúlt években viszont gyakorlatilag minden űrprogramban részt vevő ország (Kína, USA, Oroszország, Németország, India, Japán) kijelentette, hogy a Holdra lépés egyik célja a hélium-3 kinyerése. Rengeteg problémát kell megoldani, míg ilyen tervek megvalósításra kerülnek, de egyes vélemények szerint már 2020 körül számíthatunk áttörő hírekre ezen a téren. 

Források

Rare Earth Elements

Wikipedia: Helium-3

Berkley Lab

plasmas.org

ITER

Lawrence Livermore Laboratory

Taylor's Nuke Sites

The Open Source Fusor Research Consortium 

NASA Science News

The Space Review

CNN

Explaining the Future

Cosmiclog on NBC News

Szólj hozzá

atom űrkutatás energia fúzió magfizika fókuszpont Hold hélium-3