为什么氦-3大量存在于月球

科普中国网 2017-08-18

　　作者：吴沅（高级工程师）

　　149年前的今天，即1868年8月18日，天文学家发现了“氦”元素。氦-3是氦的同位素之一。这种清洁、安全和高效率的未来新能源，为什么大量存在于月球呢？

　　氦-3是一种无色、无味、无臭、性质稳定的氦同位素。1996年，科学家发现氦-3具有作为核聚变燃料的非凡性能。采用氦-3为燃料的核聚变比用氢做燃料进行核聚变还要安全、清洁，效率更高，容易控制，产生的放射性物质微乎其微。因此，即使将氦-3核电站建在闹市区内也是安全的。

　　可惜的是，氦-3在地球上却难觅踪影。据估算，氦-3在全世界的总储量不超过100千克，而且大部分是由核弹头中的氚衰变而成，即使加上深海气井和火山气中氚衰变的氦-3，全世界一年最多也仅能获得10～20千克。这点“产量”，即使用作科研也显得捉襟见肘，哪里还谈得上用于核聚变燃料来发电呢！

　　那么，氦-3还会藏在什么地方呢？科学家发现，氦-3在月球上储量巨大，估计有100万吨氦-3嵌附在月球表层，只需加热到合适的温度，90%以上的氦-3就会释放出来。据估计，每年只需在月球上开采1500吨氦-3就可满足全世界的能源需求了；整个月球上氦-3的总储量，大约可供人类使用700年，这是个多么诱人的数字啊！

　　氦-3罕见于地球，却在月球上大量储存，其主要原因在于，月球作为太阳风粒子的收集器，在形成至今的40亿年时间里，有2亿～5亿吨氦-3粒子打在月球表层10～50米深的土壤内。由于月球自身没有磁场，才使氦-3粒子能在月壤内“安营扎寨”。相比之下，地球上的氦-3粒子在地球磁场的作用下，沿着地球磁力线慢慢扩散，最终被大气层“俘获”而消失。

　　月球还是“冶炼”氦-3的绝佳场所。那里的环境是高真空，低引力（仅为地球引力的1/6），温度高，温差大（白天可达130℃，晚上可降到−183℃），正好可将月壤加热并实施氦-3和氦-4低温分离。虽然月地路程遥远，但在月球上开采、加工氦-3，然后将其运回地球发电，其性价比还是很高的，整个过程耗能和发电产能之比高达1∶250。据计算，飞船一次可从月球运回20吨液化氦-3，几乎可供应美国一年所需的电力用燃料。如果氦-3能在月球上直接发电，再输送回地球，还可省去飞船运输的费用呢！