Kończące się rezerwy helu-3

0

Na całym świecie kończą się rezerwy izotopu helu-3. Oznacza to duże problemy dla systemów bezpieczeństwa, badań naukowych, medycyny i przemysłu.

Hel-3 jest stabilnym izotopem helu. W odróżnieniu od najpowszechniejszego helu-4, hel-3 posiada tylko jeden neutron zamiast dwóch w jądrze atomowym. Stosunek helu-3 do helu-4 we Wszechświecie wynosi około 1:10000 – na Ziemi jest to około 100 razy niższy stosunek wskutek miliardów lat rozpadu typu alfa uranu do toru. Na Księżycu występuje dość dużo helu-3 – zarejestrowano nawet 50 części na miliard (ppb) w wiecznie zacienionych kraterach. W tej chwili szacuje się, że w regolicie Srebrnego Globu jest około miliona ton tego izotopu helu – tyle samo lub więcej niż w ziemskim płaszczu.

Hel-3 ma pewne zastosowania przemysłowe i badawcze. Przede wszystkim hel-3 jest wykorzystywany przy budowie czujników neutronów, w tym dla lotnisk, portów, przejść granicznych i innych miejsc wymagających wyższego stopnia bezpieczeństwa. Od kilkunastu lat hel-3 jest coraz częściej wykorzystywany w przemyśle naftowym i gazowym, gdyż przydaje się podczas głębokich wierceń i ocenie wielkości nowych złóż ropy czy gazu. Ponadto, ten izotop helu przydaje się przy osiąganiu bardzo niskich temperatur, nawet rzędu mili-Kelwinów. Hel-3 jest także wykorzystywany w medycynie. W dalszej przyszłości (być może) hel-3 będzie wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej.

Dotychczas hel-3 był zwykle otrzymywany z rozpadu trytu – izotopu wodoru, składnika broni nuklearnej. Podczas Zimnej Wojny zarówno USA jak i Związek Radziecki posiadały duże zapasy helu-3 i dzieliły się tym izotopem ze społecznościami naukowymi oraz wykorzystywały na potrzeby własnych badań wojskowych. Od czasu upadku Żelaznej Kurtyny sytuacja jest odmienna – produkuje się mniej ładunków nuklearnych, co jednocześnie redukuje ilość produkowanego helu-3.

Zapotrzebowanie na hel-3 wyraźnie wzrosło po wrześniu 2001 roku, gdy wzrosła produkcja detektorów neutronów dla lotnisk i przejść granicznych. W 2008 roku USA wykorzystały 80 tysięcy litrów helu-3, co było połową amerykańskich zapasów. Wówczas ceny helu-3 wzrosły nawet kilkunastokrotnie. W tej chwili ceny helu-3 są szacowane na około 2000 EUR za litr. Co więcej, zapotrzebowanie na hel-3 jest w tej chwili wyższe niż możliwości produkcyjne (nawet kilkadziesiąt tysięcy litrów rocznie, przy produkcji nie większej niż 10 tysięcy litrów – dane dla USA). Dotychczas duża część helu-3 była importowana, np. z Rosji, ale od 2010 roku Rosjanie zaprzestali eksportu (z uwagi na własne, rosnące potrzeby), co skomplikowało dostęp do tego izotopu na całym świecie.

Przykładowo, w Japonii zbudowano ośrodek badawczy o nazwie Japan Proton Accelerator Research Complex (JPARC). Ten ośrodek badawczy potrzebuje około 100 tysięcy litrów helu-3 do prawidłowych operacji, ale jak na razie udało się im zabezpieczyć 85 tysięcy litrów. Dlatego w JPARC trwają prace nad alternatywnymi sposobami detekcji neutronów, które nie wymagałyby helu-3. Potencjalnymi alternatywami są izotopy bor-10 albo lit-6, aczkolwiek nie mają one tak dobrych „parametrów” jak hel-3.
 
Podobnie sprawa się ma w przypadku badań w ekstremalnie niskich temperaturach. Dotychczas dla osiągnięcia temperatur rzędu ułamka K ponad zero bezwzględne stosowano mieszaninę helu-3 i helu-4. Bez helu-3 można stosować inne metody, lecz są one znacznie wolniejsze. Ten problem występuje i w europejskim ośrodku CERN, w którym stosuje się hel-3.

Wraz ze wzrostem cen oraz zapotrzebowania na hel-3 nowe źródła pozyskiwania staną się opłacalne. Już w tej chwili stosuje się recykling helu-3 ze starych źródeł, choć ich ilość jest ograniczona. Są i inne koncepcje, jak pozyskiwanie helu-3 z atmosfery czy z różnych warstw skalnych, dna oceanów czy stref subdukcyjnych, ale wydaje się, że nie udałoby się wyprodukować zbyt wielkiej ilości tego izotopu.

Najbardziej logicznym źródłem helu-3 wydaje się być więc Księżyc – ale nie ma w tej chwili wielu technologii, które pozwoliłyby na umieszczenie maszyny zdolnej do „przerobu” dużych ilości regolitu, odzyskania tego izotopu a następnie bezpiecznego wysłania kapsuły z kanistrem na Ziemię. Warto tu zauważyć, że wydobycie nawet niewielkich ilości helu-3 oznacza przerobienie przynajmniej setek tysięcy ton księżycowego regolitu. Dotychczas żadna misja księżycowa nie zademonstrowała nawet podstawowej formy zbierania regolitu poza drobnymi próbkami.

Czy czeka nas zatem wyraźne spowolnienie rozwoju wielu dziedzin nauki i techniki z uwagi na brak helu-3?

(RSC, JPARC, DOE)

Share.

Comments are closed.