Какво е Хелий-3 и можем ли да го добиваме от Луната?

Един от най-ценните активи, притежавани от Ланкастърския университет (Lancaster University), се съхранява в обикновени бурета за бира. Те обаче не се намират в някой от студентските барове на кампуса. В изключително внимателно заключена лаборатория, редици от метални бурета са подредени по рафтовете и са свързани помежду си с тънки медни тръбопроводи. Тези контейнери не са пълни с първокласно пиво, а с изключително рядък газ, наречен хелий-3 (He^3) – един от най-скъпите материали в целия свят. Един литър от този газ струва приблизително 1850 евро (което съответства на около 2000 долара или 1500 британски лири), въпреки че пазарната цена може да варира в зависимост от наличността.

„Лабораторията работи вече около 50 години. По онова време хелият беше сравнително евтин“, споделя Дима Змеев, старши преподавател в университета. „Нашите много мъдри предшественици са се запасили навреме.“

В близко бъдеще все повече хора и организации може да се окажат в търсене на начини за изграждане на подобен стратегически запас. Хелий-3 намира незаменими приложения в сектори от критично значение за бъдещето на технологичната цивилизация, като квантовите изчисления и управлявания ядрен синтез. Основният източник на този изотоп в днешни дни обаче е строго контролиран – той се получава като страничен продукт от поддръжката на ядрени оръжия. По-конкретно, газът се ражда при радиоактивния разпад на тритий (изотоп на водорода, съдържащ един протон и два неутрона), който се използва в термоядрените бойни глави.

По целия свят всяка година по този специфичен начин вероятно се произвеждат десетки хиляди литри хелий-3, изчислява Дейвид Макколъм, изтъкнат учен в Националната лаборатория Оук Ридж (Oak Ridge National Laboratory) в Тенеси. Бъдещото търсене на суровината обаче заплашва сериозно да надхвърли това ограничено предлагане. Поради тази причина редица предприемачи и изследователи твърдят, че човечеството спешно трябва да открие нови, алтернативни източници на хелий-3. Той съществува в земните недра, но като цяло се намира в изключително ниски концентрации, което прави улавянето му икономически неизгодно.

От друга страна, анализите на проби от лунен прах – известен като реголит, – донесени на Земята по време на легендарните мисии „Аполо“ на НАСА, показват, че изотопът може да присъства на повърхността на нашия естествен спътник в сравнително високи концентрации. Тъй като Луната няма атмосфера и магнитно поле, тя в продължение на милиарди години е била буквално бомбардирана от слънчевия вятър, който е богат на този елемент. На Земята магнитното поле отразява тези частици и те не могат да достигнат до повърхността. Водени от това научно разкритие, в момента се разработват реални планове за извличане и транспортиране на хелий-3 директно от Луната.

Физическите свойства и силата на охлаждането

От научна гледна точка хелий-3 е лек, стабилен изотоп на химичния елемент хелий, който се дефинира от присъствието на два протона и само един неутрон в атомното ядро. Неговият събрат – хелий-4 (He^4), който притежава един допълнителен неутрон в ядрото си, представлява сравнително евтината и масова версия на газа, с която се пълнят балоните за детски партита.

Дима Змеев използва редкия хелий-3 за провеждането на сложни физически експерименти в Ланкастър. Като пример за неговата работа, той пълни миниатюрни камери с този газ в рамките на мащабен проект, чиято цел е улавянето и засичането на загадъчните и все още неоткрити частици на тъмната материя. Ако такава хипотетична частица се сблъска с някой от атомите на хелий-3, това би накарало всички останали атоми в камерата да започнат да вибрират. Този процес генерира измерима топлина и това съвсем леко повишаване на температурата може да бъде уловено от високочувствителната апаратура. Голямото предимство в случая е, че веднъж затворен в системата, хелий-3 може да се използва отново и отново без никакви загуби.

Учените също така смесват изотопите хелий-3 и хелий-4 заедно при изключително ниски температури, за да създадат едни от най-студените точки в познатата ни вселена – достигайки дълбоко в диапазона на миликелвините, което е съвсем близо до абсолютната нула, равняваща се на -273C (минус 273 градуса по Целзий). Когато атомите на хелий-3 постепенно започнат да се отделят от разредената смес, съдържаща двата изотопа, те образуват чист слой от хелий-3 най-отгоре. Това физическо разделяне представлява фазов преход, който консумира енергия и по този начин предизвиква силен охлаждащ ефект – феномен, подобен на начина, по който парата се изпарява от чаша с гореща вода и отнема от топлината ѝ.

Това охлаждане на базата на хелий-3, научно известно като хладилник с разтваряне (dilution refrigeration), е абсолютно критично за функционирането на съвременните квантови компютри, чиито деликатни кюбити изискват екстремен студ, за да запазят своята квантова кохерентност и да не допускат грешки при изчисленията. В допълнение към това, хелий-3 би могъл да се използва като гориво в някои видове реактори за термоядрен синтез (например чрез чистата реакция с деутерий, която не отделя опасни за конструкцията неутрони), за да може един ден човечеството да произвежда огромни количества чиста и безопасна енергия.

Комерсиалната надпревара за лунния реголит

Една от компаниите, които планират активно да извличат хелий-3 от повърхността на Луната, е Interlune, базирана в Сиатъл. „Прекарахме последните четири години в разработване, създаване на прототипи и тестване на технологии… В момента имаме екип от 30 души, който продължава да расте“, казва Роб Мейерсън, съосновател и главен изпълнителен директор на компанията. Мейерсън притежава солиден опит в космическата индустрия, като е заемал поста президент на Blue Origin – ракетната компания на милиардера Джеф Безос – в периода между 2003 и 2018 година.

Сред останалите съоснователи на Interlune изпъква името на Харисън „Джак“ Шмит, който в момента е на възраст над 90 години. Шмит е историческа фигура – той е професионален геолог и астронавт, стъпил и разходил се на Луната по време на последната пилотирана лунна мисия „Аполо 17“. От десетилетия насам той е един от най-гласовитите и страстни застъпници на идеята за извличане на ценния хелий-3 от лунния реголит.

До този момент Interlune е тествала част от специализираното си оборудване по време на параболични полети, при които самолет лети по голяма параболична дъга, за да симулира състояние на безтегловност и ниска гравитация. Технологичният комплект на фирмата може да бъде интегриран в безпилотен лунен модул още през есента на 2027 година, надява се Мейерсън. Дългосрочната цел на Interlune е да разположи на повърхността на Луната автономни багери за реголит, които да изгребват прахообразния материал и да го обработват на място. Идеята предвижда реголитът да бъде натрошаван и разбъркван в специални термични камери, което ще освободи уловения в него газ хелий-3.

Въпреки амбициозните планове, никой в научния свят не знае с абсолютна категоричност какви точно са реалните концентрации на хелий-3 на Луната. Пол Бърк от Лабораторията по приложна физика към Университета „Джонс Хопкинс“ (Johns Hopkins Applied Physics Laboratory) предупреждава, че донесените от мисиите „Аполо“ проби от реголит може да са загубили част от съдържащия се в тях хелий-3 по време на бурното им завръщане през земната атмосфера, което може сериозно да изкриви настоящото ни разбиране за това колко точно газ се крие там.

Освен това съществува реален риск на Луната да няма толкова много богати на хелий-3 зони (т.нар. „горещи точки“), колкото се надяват предприемачите, или пък те да се намират на дълбочина, която е изключително трудна за достъп със съвременна техника. „От първостепенно значение е първо да разберем къде точно се намира хелият-3“, категоричен е Бърк.

Според доклад на специализираното издание Space News, реалните лунни концентрации на ценния газ вероятно варират между няколко части на милиард (ppb) и малко над 20 ppb. Това означава, че за получаването на само 1 килограм чист хелий-3 ще бъде необходимо да се изкопаят, преместят и преработят стотици хиляди тонове лунен реголит. Перспектива, която Бърк описва като „преместване на планини“.

„ Ние изобщо не пренебрегваме факта, че ще трябва да преработваме колосални количества реголит“, отговаря Мейерсън. На въпроса дали този план е икономически разумен, той заявява: „Направихме подробни математически изчисления… за абсолютно всичко, което ни е необходимо, за да стигнем до Луната, да извлечем суровината и да я върнем обратно на Земята.“ От Interlune обаче отказаха да споделят тези конкретни цифри пред BBC, както и да дадат оценки за общата стойност на разработването на своята технология.

Друга американска компания, Astrotech Corporation, също официално обяви намеренията си да изпрати своя мисия до Луната. В техния случай планът предвижда това да се осъществи чрез наемането на гигантската ракетна система Starship на компанията SpaceX. Инженерите на Astrotech планират да извличат хелий-3 от реголита чрез неговото интензивно нагряване до високи температури. Том Пикенс, главен изпълнителен директор и главен технологичен директор на компанията, признава чистосърдечно: „Всяка една стъпка от това начинание е огромно предизвикателство.“

В предишни свои космически приложения компанията на Пикенс се е занимавала с производство на масови спектрометри – прецизни научни инструменти, които се използват за идентифициране на различни материали и химични елементи, както и за измерване на техните точни концентрации. Работата по прототипа за лунно извличане на хелий-3 продължава с пълна сила, като Пикенс е изключително оптимистично настроен: „ Сами ще го видите.“ Той добавя, че в момента компанията е заделила екип от „седем или осем“ специалисти, които работят концентрирано по този проект.

Бъдещите квантови компютри в зависимост от техния специфичен дизайн и архитектура в крайна сметка могат да изискват хиляди литри хелий-3 за поддържане на охлаждането си, sugerira Макколъм. Той и неговите колеги наскоро публикуваха научен труд, в който детайлно анализират изискванията за енергия и ресурси на тези авангардни изчислителни устройства.

Това означава, че проектите за добив на лунен хелий-3 вече привличат реални инвестиции и сериозен търговски интерес от пазара. Базирана в Хелзинки компания за квантови изчисления вече е подписала мащабна сделка на стойност около 276 милиона евро (300 милиона долара) с Interlune. Договорът предвижда доставката на 10 000 литра хелий-3 годишно за десетгодишен период, обхващащ годините от 2028 до 2037 г.

Алтернативите на Земята

Не всички учени обаче споделят визията, че отговорът се крие в Космоса. Съществуват и други алтернативни пътища за решаване на задаващата се криза с доставките. Ричард Истър от Университета в Оукланд (University of Auckland) посочва като пример факта, че редица учени в момента работят усилено по разработването на иновативни методи за охлаждане на квантовите компютри, които изобщо не разчитат толкова силно на употребата на дефицитния хелий-3.

В същото време ловците на хелий-3 може в крайна сметка да успеят да открият и извлекат полезни и търговски значими обеми от него директно от земната кора, без да напускат планетата. Компанията Pulsar Helium, чиято централа се намира в Португалия, в момента изследва активно присъствието на хелий-3 в проучвателен обект, разположен в щата Минесота, САЩ.

Концентрациите на изотопа в този подземен резервоар са в рамките на около 12 ppb, обяснява Питър Бари, геохимик в Океанографския институт Уудс Хоул (Woods Hole Oceanographic Institution) и научен съветник към компанията. Конвенционалното и добре познато на индустрията дълбоко сондиране би могло потенциално да улови и изведе хелий-3 от земната твърд там, казва той, като с усмивка добавя един неоспорим факт: „ До Минесота се стига много по-лесно, отколкото до Луната.“