Одним из самых ценных активов Ланкастерского университета являются пивные кеги.
Но его нет ни в одном из студенческих баров.
В тщательно запертой лаборатории на полках расставлены ряды металлических бочек, соединенных между собой тонкими медными трубами.
В контейнеры загружают не элитное пиво, а газ под названием гелий-3, один из самых дорогих материалов в мире. Один литр стоит примерно 2000 долларов (1500 фунтов стерлингов), хотя цена может колебаться.
«Лаборатория существует уже около 50 лет. В те времена гелий был довольно дешев, — говорит Дима Змеев, старший преподаватель. — Наши очень мудрые предшественники запаслись им впрок».
В ближайшем будущем всё больше людей могут стремиться к созданию подобных запасов. Гелий-3 находит применение в квантовых вычислениях и термоядерном синтезе. Однако основной его источник сегодня строго контролируется – он поступает из ядерного оружия. А именно, из распада трития, одной из форм водорода, внутри этих ядерных боеголовок.
По оценкам Дэвида Макколлума, выдающегося ученого из Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, во всем мире таким способом ежегодно производится около десятков тысяч литров гелия-3. Однако будущий спрос может значительно превысить это предложение.
Некоторые предприниматели и исследователи утверждают, что нам нужны новые источники гелия-3. Он присутствует в земле, хотя, как правило, в очень низких концентрациях.
Однако образцы лунной пыли, или реголита, полученные в ходе миссий «Аполлон», позволяют предположить, что он может присутствовать там в относительно высоких концентрациях. В связи с этим сейчас разрабатываются планы по извлечению гелия-3 с Луны.
Гелий-3 — это изотоп гелия, определяемый числом нейтронов в ядре атома. Гелий-4, имеющий на один нейтрон больше, является сравнительно более дешевым аналогом — газом, которым наполняют воздушные шарики на детских вечеринках.
Змеев использует гелий-3 в физических экспериментах. Например, он заполняет им крошечные камеры в рамках проекта по обнаружению загадочных частиц темной материи.
Если такая частица столкнется с одним из атомов гелия-3, это заставит их все покачнуться. Это вызовет выделение тепла, и это небольшое повышение температуры можно будет измерить.
Гелий-3 можно использовать многократно.
Ученые смешивают гелий-3 и гелий-4 при очень низких температурах, чтобы создать самые низкие температуры в известной Вселенной, вплоть до милликельвинового диапазона (-273°C).
При атоградном отделении гелия-3 от разбавленной смеси, содержащей два изотопа, они образуют слой чистого гелия-3 сверху. Это разделение представляет собой фазовый переход, который потребляет энергию, вызывая охлаждающий эффект, подобно испарению пара из чашки горячей воды.
Охлаждение на основе гелия-3, или охлаждение методом разбавления, имеет решающее значение для квантовых компьютеров.
А гелий-3 также может быть использован в некоторых термоядерных реакторах для создания в будущем огромных объемов чистой энергии.
Одна из компаний, планирующих добывать гелий-3 на Луне, — это Interlune, базирующаяся в Сиэтле. «Последние четыре года мы занимались разработкой, созданием прототипов и тестированием технологий… У нас команда из 30 человек, и она продолжает расти», — говорит Роб Мейерсон, соучредитель и генеральный директор. Мейерсон был президентом Blue Origin, ракетной компании Джеффа Безоса, с 2003 по 2018 год.
Одним из соучредителей Interlune является Харрисон «Джек» Шмитт, которому сейчас за 90, и который побывал на Луне во время миссии «Аполлон-17». Он давно выступает за добычу гелия-3 из лунного реголита.
Компания Interlune провела испытания части своего оборудования во время параболических полетов, при которых самолет летит по большой дуге, имитируя невесомость. По словам Мейерсона, комплект компании может быть интегрирован в лунный посадочный модуль уже осенью 2027 года.
В конечном итоге, Interlune aito разместит на Луне автономные экскаваторы, способные перерабатывать реголит, чтобы собрать порошкообразный материал и переработать его. Идея состоит в том, чтобы измельчить и перемешать реголит, высвобождая содержащийся в нем гелий-3.
Никто точно не знает, какая концентрация гелия-3 присутствует на Луне.
Пол Берк из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса говорит, что образцы реголита, полученные в рамках программы «Аполлон», могли потерять часть гелия-3 при возвращении на Землю, что искажает наше понимание его количества.
Кроме того, возможно, зон концентрации гелия-3 окажется не так много, как ожидалось, или же они могут находиться на труднодоступных глубинах. «Важно понимать, где именно находится гелий-3», — говорит Берк.
Как сообщалось в прошлом году в Space News, концентрация гелия-3 на Луне — возможно, от нескольких частей на миллиард (ppb) до 20 с лишним ppb — может потребовать добычи и переработки сотен тысяч тонн реголита только для получения одного килограмма гелия-3. По словам Берка, это «проект, способный свернуть горы».
«Мы не игнорируем тот факт, что нам необходимо переработать большие объемы реголита», — говорит Мейерсон. Разумен ли этот план с экономической точки зрения? «Мы произвели расчеты… всего необходимого для того, чтобы добраться до Луны, извлечь [гелий-3] и доставить его обратно на Землю».
Компания Interlune отказалась предоставить эти цифры BBC, а также оценки общей стоимости разработки своей технологии.
- Послушайте: стоит ли нам добывать полезные ископаемые на Луне?
Еще одна американская компания, Astrotech Corporation, также объявила о своем намерении отправиться на Луну. В ее случае — на ракете SpaceX Starship. Astrotech будет извлекать гелий-3 из реголита путем его нагревания. Том Пикенс, генеральный директор и главный технический директор, говорит: «Все это — непростая задача».
В предыдущих космических проектах его компания производила масс-спектрометры — приборы, которые идентифицируют такие материалы, как химические элементы, и измеряют их концентрацию.
Продолжается работа над прототипом устройства для извлечения гелия-3 из Луны, и Пикенс полон оптимизма: «Вы его увидите».
По его словам, в компании над проектом работают «семь или восемь» человек.
Макколлум предполагает, что в конечном итоге квантовым компьютерам может потребоваться несколько тысяч литров гелия-3, в зависимости от их конструкции. Недавно он и его коллеги опубликовали статью, в которой подробно анализируются энергетические и ресурсные потребности этих устройств.
Это означает, что проекты по использованию лунного гелия-3 уже привлекают внимание. Хельсинкская компания, занимающаяся квантовыми вычислениями, заключила с компанией Interlune сделку на 300 миллионов долларов (223 миллиона фунтов стерлингов) на поставку 10 000 литров гелия-3 ежегодно с 2028 по 2037 год.
Но есть и альтернативы. Например, некоторые ученые работают над методами охлаждения квантовых компьютеров, которые не так сильно зависят от гелия-3, отмечает Ричард Истхер из Оклендского университета.
А охотники за гелием-3, возможно, все-таки смогут извлечь полезные объемы этого вещества из земной коры. Компания Pulsar Helium, штаб-квартира которой находится в Португалии, исследует наличие гелия-3 на участке в Миннесоте.
По словам Питера Барри, геохимика из Океанографического института Вудс-Хоул и научного консультанта компании, концентрация там составляет около 12 частей на миллиард.
По его словам, традиционное бурение потенциально может дать там гелий-3 из земли, и он добавляет: «До Миннесоты добраться гораздо проще, чем до Луны».