¿Enfoque práctico de minería Lunar He-3?

Bueno, todavía no tenemos la prueba real de que hay una "abundancia" de ³ He ( Helio-3 ) incrustada en el regolito lunar que haría que cualquier "minería" valiera la pena. Todo lo que tenemos hasta ahora es la indicación de que podría haberlo, como lo muestran las trazas de ³ He detectadas en las muestras de regolito extraídas por las misiones Apolo . Las estimaciones actuales son que podría haber desde 1 ppm hasta 50 ppm (partes por millón) de ³ He incrustado en el regolito lunar, y si bien eso puede no parecer mucho, si es cierto, podría hacer factible cualquier explotación. Por supuesto, cuanto más altas sean las ppm, mejor.

Debo agregar aquí que el muestreo de Apolo del regolito lunar podría decirse que no es el más indicativo de los niveles de ³ He incrustado en él, ya que gran parte de la superficie atrapada ³ He probablemente escaparía debido a la perturbación mecánica y la descarga electrostática cuando las misiones Apolo tomaron muestras. por perforación. Pero es un mejor representante de cuánto de ³ He está contenido dentro del lecho rocoso lunar superior, con el Apolo 11 teniendo el mayor éxito al aterrizar en la región rica en TiO ₂ (dióxido de titanio) de Mare Tranquillitatis. Las superficies con minerales metálicos electroconductores parecen ser las mejores regiones candidatas ricas en ³ He ⁽¹⁾ adecuadas para la minería de superficie lunar en la parte superior de las regiones polares lunares permanentemente sombreadas⁽²⁾ .

Lo que hace que este raro isótopo sea tan tentador es la energía almacenada en él cuando dos átomos de ³ He acoplados en un plasma sobrecalentado se rompen en dos protones y una partícula alfa de ^{4 He (Helio-4):}

$$\require{mhchem}\ce{^3_2He + ^3_2He \to ^4_2He + 2\!^1_1p^+ + } \text{12.86 MeV}$$

Esta es la densidad de energía en megaelectronvoltios por mol ( 3 gramos) de plasma de ³ He que alcanzó el reactor de fusión Helio-3 de tercera generación, desarrollado por Gerald Kulcinski en la Universidad de Wisconsin. Esta es una reacción que produce cantidades muy altas de energía y, al mismo tiempo, muy pocos subproductos nocivos. Los generadores de fusión de segunda generación producen más energía por masa de combustible, con Wikipedia colocándolos en el rango de 18 MeV (493 megavatios-hora o 4,93 × 10 ⁸ W·h) por mol de ³ He, pero requieren deuterio ($\ce{^2_1H}$), lo que lo hace menos adecuado para la conversión directa de recursos de ³ He en la Luna.

Hasta ahora todo bien, al menos en lo que respecta al uso real de ^{3 He.} Pero, como mencioné antes, en realidad no tenemos evidencia directa de cantidades explotables de ³ He en el regolito lunar, y toda la evidencia actual es indirecta en el mejor de los casos. Sin embargo, la teoría detrás de su formación parece bastante sólida.

Si bien el ³ He no forma plasma fácilmente, y se requieren altas temperaturas para que los dos átomos de ³ He tengan suficiente energía cinética para acoplarse y permanecer en un estado de plasma, tenemos un poco de suerte de que, casualmente, nuestro Sol hace eso realmente bien y las principales fuentes naturales y renovables de ³ He provienen de las eyecciones de masa coronal solar (CME) y el viento solar. Como el viento solar puede alcanzar velocidades de hasta 900 kilómetros por segundo y nada lo detiene en su camino hacia la superficie de la Luna, este ³El plasma puede incrustarse en la capa bastante gruesa de polvo lunar (las misiones Apolo recuperaron muestras de hasta 1 m de profundidad y también retuvieron pequeñas cantidades), y la superficie lunar también es bombardeada por asteroides, que posiblemente incrustarían ³ He aún más profundo. .

Otro punto de la posible permanencia de ³ He en el regolito lunar es que en realidad no hay una atmósfera lo suficientemente densa en la superficie lunar para sustentar lo que consideraríamos como un comportamiento normal de las moléculas en los gases, chocando con frecuencia entre sí en estado excitado. . Estas atmósferas suficientemente delgadas que no soportan este comportamiento de los gases se denominan exosferas . El punto es que no forman suficiente presión atmosférica para empujar hacia arriba los gases más ligeros en la escala atómica y menos densos, desplazados por gases más densos y pesados ​​(como esperaríamos en la Tierra). Tampoco hay clima del que hablar, a excepción del clima solar, pero ese, como dijimos antes, se supone que traerá más ³Él con él, no volará lo que ya está incrustado en el regolito. Bueno, posiblemente ambos, pero la cantidad total incrustada debe permanecer al menos igual, si no mayor, que antes.

Sin embargo, se desconoce cuánto tiempo está contenido este ³ He dentro de la superficie lunar, y aunque hay algunas teorías de trabajo, probablemente tendremos que esperar más datos devueltos por el programa chino Chang'e , o incluso LADEE de la NASA (Atmósfera Lunar y Polvo). Environment Explorer) que se acaba de lanzar (al momento de escribir esta respuesta) y está en camino a una misión de aproximadamente 100 días para estudiar la exosfera lunar y el entorno polvoriento. Mi dinero está en la contención temporal de plasma ³ He por la carga electrostática que produce al impactar con el regolito de la superficie y que no hay suficiente presión para desplazarlo más rápido de lo que se repone, pero eso es solo una suposición un tanto educada en el mejor de los casos.

³ El helio en estado de plasma es hasta ahora más fácil de contener usando dispositivos Tokamak que usan campos magnéticos para confinar el plasma, pero Kulcinski propuso el reactor de Confinamiento Electrostático Inercial (IEC) que puede contenerlo y al mismo tiempo sostener la fusión de Helio-3 ^{(3 )} . Él cree que puede recolectar mejor la energía producida por estas reacciones usando un acelerador de partículas inverso que puede convertir la energía directamente en electricidad sin necesidad de hacer girar una turbina.

   

   ^{Reactor de confinamiento electrostático inercial (IEC) que contiene plasma de helio-3 y lo convierte en el. energía (Fuente: U. de Wisconsin )}

Para responder a sus preguntas más directamente:

• ¿Cómo se puede contener el He-3 en el suelo lunar, sin escapar al espacio tan pronto como se crea? ¿Cómo se podría realizar su cosecha, considerando tanto la necesidad de procesar grandes cantidades de suelo lunar para ser procesado?
  
  Ya he descrito uno de los métodos de contención - los ³El plasma está contenido dentro del regolito lunar cargado electrostáticamente, predominantemente polvo de grano fino, ya que se carga cuando la CME y las partículas del viento solar lo golpean. Sin embargo, hay otro punto. La "atmósfera" lunar en realidad no se comporta como los gases, ya que es demasiado delgada y su densidad molecular significa que las moléculas, incluso cuando están en su estado excitado, rara vez chocan entre sí. Esta es la principal diferencia entre una atmósfera y lo que llamamos exosfera, lo que tiene la Luna. Esto significa que no hay suficiente presión sobre los gases más ligeros que, de lo contrario, estarían en la atmósfera y serían fácilmente empujados hacia arriba (debido a la gravedad) por sus hermanos más pesados. Entonces, cuando están en la exosfera, mientras estos gases son ligeros , no son empujados por gases más pesados ​​y permanecen en la superficie por más tiempo.

• ¿Cómo se podría refinar, separándolo de otros elementos, especialmente del relativamente abundante He-4?
  
  Pensando en el último punto, probablemente sea relativamente fácil. Una forma sería el enfoque pasivo de atrapar las capas superiores de regolito lunar en contenedores con una presión atmosférica real más alta y simplemente rozar la parte superior (todavía hay algo de gravedad en la Luna, lo que hace que "arriba" y "abajo" no sean ambiguos, y ³ Estaría entre las moléculas más ligeras), luego repitiendo el proceso durante el tiempo que sea necesario para obtener la pureza requerida. Otro enfoque, el activo , es mediante el uso de sistemas centrífugos para separar moléculas de diferente masa atómica y luego succionar ³Salió de algún lugar cercano al centro. Este enfoque funcionaría también en condiciones de microgravedad. Otra forma común de hacerlo es mediante microfiltración o contención de campo magnético utilizando dispositivos tokamak .

• ¿Podría la industria lunar ser impulsada por He-3 extraído localmente de manera autosostenible (... bueno, tan sostenible como inagotables son sus depósitos) después de la fase de construcción, o requeriría que algunos otros recursos se entreguen continuamente desde la Tierra?
  
  Mediante el uso de reactores de fusión de tercera generación que no requieren isótopos de Hidrógeno (Deuterio y Tritio $\ce{^3_1H}$) y depende únicamente de los recursos renovables disponibles en la Luna y su regolito, entonces definitivamente podemos pensar en este proceso como autosostenible.

Por supuesto, todo esto, en una cantidad que no se puede descartar fácilmente, depende de la cantidad de ³ He (en el rango de partes por millón) en la superficie lunar. Sin embargo, las bolsas de plasma de ³ He contenidas más profundamente en la superficie lunar y creadas por impactos de asteroides no se descartan, aunque son algo más difíciles de extraer.

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Referencias y lecturas recomendadas :

1. The Estimation of Helium-3 Probable Reserves in Lunar Regolith , Slyuta et al., Instituto Vernadsky de Geoquímica y Química Analítica, Moscú, 2007 (PDF)
2. ³ Él en superficies polares lunares permanentemente sombreadas , FH Cocks, Icarus Volumen 206, número 2, abril de 2010, páginas 778–779
3. Una hora fascinante con Gerald Kulcinski , Eric R. Hedman, The Space Review, 2006
4. D- ³ He Fusion in an Inertial Electrostatic Confinement Device , Ashley et al., Wisconsin Fusion Technology Institute, 1999 (PDF)
5. Helio-3 como tecnología de combustible alternativo (para producir electricidad) , S. Kumar, K. Gupta, The Journal of Department of Applied Sciences & Humanities, vol. IV, 2006 (PDF)
6. Instituto de tecnología de fusión de Wisconsin: colección de artículos sobre confinamiento electrostático inercial