內容簡介
找核能發電的原料——氦-3，是人類探月的一項重要目標。《氦--3是什麼》又稱為《氦-3是什麼》。本書不僅介紹了氦-3何以能作為一種嶄新的完美能源，對氦-3的來歷和相關科學研究都做了翔實地分析和報導，並對目前世界各國的能源狀況、全球的能源開發趨勢也進行了分析。相信大家在閱讀本書後將對如何開發氦-3作為一種新能源這一新奇事物有所了解，也會對目前的世界能源局勢以及世界航天史有一定認識。本書為科普讀物，可作為中學生以及高等院校學生的課外讀物，也適合於對氦-3感興趣、關心世界能源發展趨勢的讀者閱讀。
氦-3的定義
氦-3是氦的同位素之一，元素符號為3He。它的原子核由二顆質子和一顆中子所組成。是穩定同位素。其相對豐度是0.000137%。一般相信，月球表面的風化層（表皮土）富含著大量的氦3。
氦-3的用途
因為使用氦-3的熱核反應堆中沒有中子（氦-3與氘進行熱核反應只會產生沒有放射性的質子），故使用氦-3作為能源時不會產生輻射，不會為環境帶來危害。但是因為地球上的氦-3儲量稀少，無法大量用作能源。幸好，根據月球探測的結果，月球上的氦-3含量估計約100萬噸以上。
氦-3在月球上有大量的儲存
向地球外尋找新的能源
在地球上天然的氦-3很少，總量不過幾千克。用氫的同位素氚蛻變為氦-3，也只不過10～20千克。我們知道，月球是由在地球受撞擊時飛濺出去的物質集結而成的。那么，月球上的氦-3是從哪裡來的呢?研究認為，月球上的氦-3主要來自太陽風。經研究，太陽風中含有4%的氦，其中氦-3和氦-4的比例為5∶10000。由於月球沒有磁場，太陽風可直達月球表面。又由於月球沒有大氣，經常受隕石撞擊，土壤疏鬆，氦-3到達後被土壤粒子包圍，就留在了那裡。因為氦-3原能級較低，它們不會進入很深的土壤。科學家提出，在人類資源面臨短缺的今天，向地球外尋找新的能源，應該是未來一條可以探索的發展之路，比如從月球表面開採氦氣，傳送到地球將有助於解決人類未來面臨的能源短缺難題。從已經收集到的月球表面礦物標本看，月球表面土壤含有豐富的氦-3元素，氦-3元素通常被用作人造大氣層和鐳射媒體的組成部分，和用作製冷劑及飛行氣球的氣體。它在地球上是非常稀少的，而在月球上卻有大量的儲存。
氦3是一種安全的能源
美國田納西州行星地球科學研究院負責人勞倫斯.泰勒教授說：“氦可以與一種氫的同位素氘結合，發生裂變反應，產生巨大的能量。月球有豐富的氦-3資源，太空飛船運送25噸的氦元素，就足夠供給美國一年的電力需求。大約2億噸的月球土壤就能夠產生1噸的氦元素，而地球土壤僅僅能產生10公斤。”在月球表面的氦-3元素是通過太陽風作用而被沉積的。如果對月球土壤和岩石進行800°C的高溫加熱，就可以把它們從中提取出來。但泰勒教授也指出：“通過反應堆技術把氦-3元素轉化成能量仍然處於未成熟階段，還需要科學家花費數年的時間完善。”除了技術問題，資金也是現在面臨的一項困難。泰勒說，在美國現在還沒有專項資金用在非石油能源項目的研究上。但他警告到2050年，煤、石油、天然氣等能源將面臨枯竭，所以我們應該對這項研究投入更多的精力。與會的其他科學家也贊成，氦-3是一種安全的能源，可以作為未來的燃料，所以它的開發利用應該受到重視。科學家一致認為，如何利用月球氦-3元素聚變反應的技術可以在未來30的時間裡基本成熟。在月球發現的潛在氦-3資源可能將成為解決這一問題的關鍵。
整個月球大約共有100萬噸氦3
從月球採集的礦石樣本顯示，其中含有豐富的氦-3。美國行星地質研究所地球與行星科學部主任勞倫斯·泰勒說：“與地球相比，月球有著儲量驚人的氦-3。氦-33與(氫的同位素)氘相結合所產生的核聚變反應能產生非常高的溫度，並釋放出巨大能量。”“一艘太空梭一次能運載25噸氦-3，這些氦3足以提供夠美國用一年的電量。”泰勒在印度北部城市烏代布爾舉行的月球開發國際會議上說。他估計，大約每2億噸月球土壤中可以提煉出1噸氦-3。相比之下，地球上所有的氦3加起來也只有大約10公斤。印度總統阿卜杜勒·卡拉姆24日在這次會議上發言時說，整個月球大約共有100萬噸氦-3。“月球上以氦3形式蘊藏的能量比地球上所有礦物燃料(石油、煤、天然氣)的總和還多10倍，”卡拉姆說。
技術尚未成熟
科學家認為，月球上的氦-3來源於太陽風，混雜於土壤和岩石之中。要利用這一資源就必須進行提煉。例如，要從岩石中提煉氦-3，就要把岩石加熱到800攝氏度以上。不過，泰勒同時指出，把氦3轉換成能源的核聚變技術目前仍處在研發階段的初期，這項技術要成熟還需要多年時間。“問題是，現在還沒有一種有效的核反應堆來處理氦-3。這種實驗目前還只能在實驗室中進行。按照現在的研究進度，還需要30年，”他說。其他一些科學家說，這種開發中的核聚變反應堆的一大優勢是“安全”，甚至可以把它建在任何城市的鬧市區。這點與現有的核裂變反應堆不同。
資金嚴重不足
美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室行星學家D·J·勞倫斯說：“月球上可能有儲量巨大的氦-3。第一步是要進行勘察，找到氦-3的聚集地。這樣，當核反應堆技術成型後，我們就能作好準備，提供準確信息。”“它(氦-3)很安全，的確能被用作未來能源。這完全不是科幻小說。夢想擺在眼前，現在的問題是，資金從何而來？如果人們團結起來幹這件事，毫無疑問就能成功，”他說。泰勒也說，美國目前沒有人向從事非石油能源研究的項目提供資金。他警告說，石油、煤、天然氣等資源很快就將耗盡。“到2050年，全球將面臨嚴重問題。我們必須未雨綢繆。現在，我們做得還不夠。我們中有些人是在(未雨綢繆)。但那些負責決策和劃撥資金的人卻不是。他們考慮的只是下屆大選，”他說，“如果我們關注月球，並且有足夠資金，我們就能幹得很快。如果財政資源得到保障，這可以在10年內完成。”
氦3何以受寵
1985年，專家們通過分析“阿波羅”號載人登月飛船帶回的月球岩土樣品發現，月球上有大量地球上稀有的物質氦-3。月球上之所以富含氦-3，是由於氦-3大量存在於太陽風中，太陽風由90%的質子（氫核）、7%的α粒子（氦核）和少量其他元素的原子核組成，月球上的氦-3正是太陽風中的α粒子。月球沒有磁場和大氣，太陽風粒子能直達月面。經過億萬年流星和微流星的撞擊，整個月球表面都不同程度地“吸附”上太陽風的粒子。其實，月球上有矽、鐵、鋁、鈦和鈣等多種資源，可以用來直接生產建材建造房屋。另外，月球的兩極可能存有1100萬至3.3億噸水冰，它們不僅可以滿足人在月球上生存的需要，水如果分解成氧和氫，還可以成為重要燃料。但由於現在從地球到月球單程的運輸費約為每噸4000萬美元左右，再加上採掘、提煉和運回地球等費用，開發成本太高。而開發月球上的氦—3是划算的，因為在發電量相同的情況下，使用月球能源氦—3的花費只是目前核電站發電成本的10%，如以石油價格為標準，每噸氦—3價值約40億—100億美元，是月球上的超級“金礦”。
滿足數千年能源需求
有關氦-3在地球和月球上的儲量目前說法不一：有的說在地球上氦-3儲量為半噸，也有的說是15噸；有的說月球蘊藏的氦-3約為100萬噸，也有說是沉積在月球上的氦-3大約有5億噸。俄羅斯專家估算，在10—15平方公里範圍內挖掘並加工深度為3米的月壤，即可獲得約1噸氦-3，足以保證一個功率為1000萬千瓦的發電機組工作1年。由於100噸的核燃料氦-3就可以滿足地球上1整年的能源需求，所以即使月球蘊藏氦-3約為100萬噸，就可滿足全球數千年的電力需要。目前我國一年的核發電量中大約需要不超過10噸氦-3。俄羅斯科學家認為，每燃燒1千克氦-3便可產生19兆瓦的能量，足夠莫斯科市照明用6年多。美國航天專家指出，用太空梭往返運輸，一次可運回20噸液化氦-3，可供美國一年的電力。
採掘運輸等都是難點
開發、運送月球上的能源還有很多難題需要解決。比如，要實現月球和地球之間的人、貨運輸，首先要有足夠大推力的運載火箭，當年，因為沒有研製出大推力的N—1巨型火箭，蘇聯在載人登月上敗給美國；另外，要在沒有大氣包裹的月球表面著陸，主要只能靠反推火箭來緩衝，如何保障安全是一個大難題。就算解決了往返運載難題，如何從月壤中提出氦-3，怎樣實現核聚變，科技上都還沒有已知的答案。目前，核聚變的控制問題已進入攻堅戰階段。法國科學家最近宣布，2030年將使利用氦-3進行核聚變發電商業化。雖然人類已經對月球進行了很多次探索，取得了大量的數據，但要在月球上建立基地，實際開發利用月球資源和環境，還有一個漫長的過程。各國科學家正圍繞月球上氦-3的形成、儲量、採掘、提純、再貯存、運輸及月球環境保護等問題悄然開展相關研究，但認為10年之內難以指望。
在月球建核電站
未來解決地球能源不足的主要出路有兩個：一個是核能，另一個是太陽能。為了解決運輸問題，降低成本，不少國家構想直接在月球上建造核電站，電站發出的巨大電力除供月球基地使用外，還將通過雷射或微波輸送到位於近地軌道上的能量中繼衛星，再由中繼衛星仍以雷射或微波形式傳送給地球。在月球上建核電站也不用擔心核泄漏。也有人提出在月球上建太陽能基地，因為月球表面幾乎沒有大氣，太陽輻射可以長驅直入，而且很容易滿足用目前光電技術進行太陽能發電需要占用大片光照充足的土地的要求。每年到達月球範圍內的太陽光輻射能量大約為12萬億千瓦，相當於目前地球上一年消耗的各種能源所產生的總能量的2.5萬倍。假設在月球上使用目前光電轉化率為20％的太陽能發電裝置，則每平方米太陽能電池每小時可發電2.7千瓦時，若採用1000平方米的電池，則每小時可產生2700千瓦時的電能。這不但解決了未來月球基地的能源供應問題，而且隨著人類空間轉換裝置技術和地面接收技術的發展與完善，還可以用微波傳輸太陽能，為地球提供源源不斷的能源。
中國首繪微波月亮
氦3資源量約100萬噸
中國首繪“微波月亮”，氦-3資源量約100萬噸。尋找核能發電的原料——氦-3，是人類探月的一項重要目標。但月球上究竟有多少氦-3至今眾說紛紜。根據阿波羅號帶回的樣品，美國科學家分析認為，月球上氦-3資源量在100萬噸～500萬噸之間，評估跨度很大，究竟是靠近100萬噸還是500萬噸？近日，中國繞月探測工程副總設計師、中國工程院院士姜景山在2009探月與地學科學研討會上向《科學時報》記者透露，根據搭載在嫦娥一號衛星上的微波探測儀傳回的數據，我國科學家已成功繪製出全球第一幅“微波月亮”圖，並利用實際探測數據反演出月球土壤層的平均厚度為5～6米，而氦-3資源量更靠近100萬噸，而非500萬噸。
高效安全的核聚變發電燃料
氦-3是一種高效安全的核聚變發電燃料，10噸氦3就能滿足我國1年的能源需求。但氦-3在地球上的蘊藏量很少，目前人類已知的容易取用的氦3僅有500千克左右。而月球地殼淺層內蘊含的上百萬噸氦3足夠地球人使用上萬年。據悉，在嫦娥一號衛星微波探測儀繞月之前，國際上還沒有從月球軌道對全月球進行微波探測的活動。一些諸如月壤厚度、氦-3資源量分布的研究多是依靠美國“阿波羅號”和蘇聯“月球號”探測器在落月點取樣的實測數據為依據，加上其他手段分析延伸而來，因此結果存在相當大的不確定性甚至是偏差。而由中科院空間中心姜景山院士提出的這一探測計畫從月球軌道上利用微波探測儀實際測量了全月的土壤厚度分布，在國際上首次獲取了全月微波亮溫分布數據，創建了“微波月亮”。
月球的微波亮溫數據
月球的微波亮溫數據是反映月表溫度、成分等因素的綜合指標，反映了月球表面的物理特性、內部過程和月球外部各種因素對月球的影響。姜景山說，月球沒有大氣層，是一顆完全暴露在太空中的天體，幾十億年以來，其自身內部能量、結構發生了重要變化，其地質時鐘幾乎停留在幾十億年前；而宇宙線、太陽風等外部影響也在月球上留下了很多痕跡。這些內、外作用與變化很多都可以在亮溫異常中反映出來。因此，“微波月亮”的提出有助於了解月球起源及演變、宇宙起源的相關問題。姜景山透露，他的研究小組正在研究一些有代表性特徵撞擊坑的微波特徵。據了解，在中國的“嫦娥一號”繞月飛行前，在利用電磁波進行月球探測中，可見光和紅外技術是主要手段，國際上已建立了“可見月亮”（VisibleMoon）和“紅外月亮”（InfraredMoon）的數據資源，唯獨缺少“微波月亮”。而紅外、可見光主要針對表面探測，微波由於波長較長，可以深入厚度，進行次表層探測、厚度探測、撞擊坑結構探測等研究。
更接近於自然真實的微波月亮
據介紹，儀器發射升空之後由於時間較長，儀器本身的參量會發生一定變化。因此在在軌定標中，亮溫基準的選取對獲取高精度微波亮溫進而測量月壤厚度等很關鍵。由於這是國際上第一次從月球軌道上進行的全月微波探測，該項研究在在軌定標中首次關注了定標天線指向不同背景對結果的影響。姜景山指出，以往從地球軌道進行的探測在定標過程中固定地把2.7K作為宇宙背景的標準。但他的研究小組發現，當定標天線在繞月過程中指向不同星座、太陽、地球、月球本身時，其天線輸入溫度差異很大，如果簡單把冷空溫度定為一個固定值將產生很大的誤差。因此，研究組首次在冷空定標中，對定標天線指向的影響作了很細緻的分析，從而獲取了較為精確的月球亮溫數據，構造出了更接近於自然真實的“微波月亮”。據悉，姜景山研究小組據此還對國際上以往的有些研究結果提出了不同的看法，在月球背面的研究中，發現了值得深入研究的現象。
