На основе сравнительной оценки характеристик лунного реголита и вулканического пепла высказано предположение об их вероятной идентичности. Оценена адсорбционная способность реголита по отношению к гелию-3 и определено значение адсорбционной постоянной Генри, знание которой позволяет более точно оценить общее его количество на Луне, а также проектировать мощности по его переработке, извлечению и доставке на Землю, где он станет основой безуглеродной термоядерной энергетики будущего. 

Методы добычи и обогащения полезных ископаемых на Земле широко известны и описаны в многочисленных научных публикациях [1–3]. Применимость их для лунных условий, и в особенности для извлечения гелия-3 (гелиона) из реголита, требует дальнейших научных исследований. Интерес к этим исследованиям связан с тем, что гелий-3, которого на Луне во много раз больше, чем на Земле, считается наиболее перспективным компонентом термоядерных реакторов будущего – основы безуглеродной энергетики.

Гелий-3, которого на Луне во много раз больше, чем на Земле, считается наиболее перспективным компонентом термоядерных реакторов будущего – основы безуглеродной энергетики.

Исследования по определению его содержания в образцах, доставленных советскими автоматическими станциями «Луна-16, -20 и -24», а также американскими астронавтами, показали, что оно составляет примерно 7,43 × 10^-5 м³/т [5-6], что в терминах физической химии называется сорбционной ёмкостью реголита по отношению к гелиону.

Благодаря солнечному ветру гелион не только адсорбируется на поверхности реголита, но и проникает за счёт диффузии в его кристаллическую решётку. При этом такие процессы происходят на всём протяжении существования Луны. Оценка давления гелиона на поверхность Луны осуществляется по формуле, которая имеет вид:

P = 1,6726 × 10^-6 × n × V² , (1)

где P – давление [нПа], n – плотность частиц [см^-3], V – скорость частиц [км/с].

Учитывая, что n = 15 × 10^-5 см^-3, V = 1000 км/с, получим Р = 0,025 нПа = 2,5 × 10^-11 Па. При столь низких давлениях, не превышающих 0,1 МПа, процесс адсорбции газов хорошо описывается изотермой Генри, которая имеет вид:

а = к × Р , (2)

где к – константа Генри, которая для данного конкретного процесса адсорбции гелиона на лунном реголите составляет величину, равную 3 × 10⁶ м³/т/Па. Для практических целей будущего освоения полезных ископаемых на Луне в условиях дефицита энергетических мощностей знание её величины позволяет не только более точно оценить общее количество гелиона на Луне, но и целенаправленно определять потребности в машинах и механизмах по переработке реголита, извлечению гелия-3 и доставке его на Землю.

Для практических целей будущего освоения полезных ископаемых на Луне в условиях дефицита энергетических мощностей знание величины константы Генри позволяет не только более точно оценить общее количество гелиона на Луне, но и целенаправленно определять потребности в машинах и механизмах по переработке реголита, извлечению гелия-3 и доставке его на Землю.

Что касается вопроса образования реголита, то с нашей точки зрения более продуктивной является вулканическая гипотеза. Наше представление базируется на простом предположении, что лунный реголит и вулканический пепел – это, вероятно, тождественные понятия. По данным научных работ [4-6] была составлена таблица 1.

Таблица 1. Сравнение лунного реголита и вулканического пепла

Представленные в табл. 1 сравнительные данные позволяют, не отрицая других гипотез, высказать предположение, что основным источником реголита являлись вулканические процессы, которые, как считают, завершились 3-3,5 млрд лет назад. За эти временные промежутки атомы гелиона в составе солнечного ветра успели адсорбироваться на выпавшем реголите.

Для того чтобы извлечь адсорбированный в реголите гелион, необходимо сначала изолировать реголит от потока солнечного ветра, поместив его в специальную герметизированную вакуумированную ёмкость, а затем воздействовать на него одним из известных в практике обогащения воздействий.

Предлагается использовать для лунных условий три вида воздействий, а именно: 1) термодинамический нагрев, 2) электромагнитное поле резонансной частоты, 3) микробиологическую трансформацию макроструктуры реголита.

Научную основу термодинамического нагрева составляет теория адсорбции. Представленная ниже формула (3) является основным уравнением ТОЗМ [ 7 ] (теории объёмного заполнения микропор), которое имеет вид:

a = a₀exp[-(A/E)ⁿ] , (3)

где a – величина сорбции, соответствующая определённому давлению насыщения; a₀ – предельная величина сорбции; A – дифференциальная мольная работа; E – характеристическая энергия, равная дифференциальной мольной работе сорбции в характеристической точке изотермы, где a = 0,368a₀; n – структурный параметр сорбента.

Уравнение (3) показывает, что характеристическая энергия предопределяет и значение адсорбированного газа. В работе показано, что эта величина определяет и состояние сорбата (гелиона) в поглощённом в сорбенте (реголите), а её выражение имеет вид:

E = nR T / b , (4)

где b – энергетический параметр, значение которого обратно пропорционально температуре. Эксперименты показали, что характеристическая энергия пропорциональна квадрату температуры, при которой осуществляется прямой и обратный адсорбционный процесс. Это очень сильная зависимость и, например, для десорбции метана из природного угля при увеличении температуры на 70 ^оС приводит к уменьшению сорбционной ёмкости углей на 10-15%, или, иными словами, к увеличению степени извлечения метана из угольного вещества.

Физическая причина этого процесса заключается в том, что тепловая энергия, поглощаемая адсорбированными молекулами, активизирует сначала их колебательные, а затем и поступательные степени свободы, что делает их подвижными и способными оторваться от поверхности сорбента. Аппаратурно процесс извлечения гелиона из реголита выполняется устройством, возможный внешний вид которого представлен на рис. 1.

Рис. 1. Проект устройства для добычи гелия-3 на Луне:

1 – ковшовое колесо забора реголита; 2 – камера псевдоожижения реголита; 3 – нагреватель реголита; 4 – ёмкость для хранения гелия-3

Источник: University of Wisconsin Madison Fusion Technology Institute Graphic by Stanford Kay – NEWSWEEK

Научную основу метода электромагнитного воздействия резонансной частоты на частицы реголита с целью извлечения из него гелиона составляет разработанная в ИПКОН РАН теория структурной трансформации газонасыщенного угольного вещества при различного вида внешних воздействиях. На её основе был разработан метод деструкции газонасыщенных горных пород внешним электромагнитным воздействием, имеющим диапазон амплитудно-частотных параметров, совпадающий с собственными (резонансными) характеристиками структурных элементов этих пород.

Метод позволяет сформировать в горной породе транспортные каналы, по которым около 80% газа, заключённого в состоянии твёрдого газоугольного раствора (в абсорбированном состоянии), переводится в свободное состояние.

Применение такого рода воздействия на реголит целесообразно в условиях дефицита энергии, что делает его эффективным и перспективным. Эффект электромагнитного воздействия резонансной частоты был подтверждён экспериментально на комплексе, схема которого представлена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема электромагнитного испытательного комплекса ЭВД-ЭДИП

В состав комплекса входят широкополосные генераторы электромагнитного излучения (ЭМИ), обеспечивающие получение синусоидального излучения в диапазоне частот от 20 Гц до 50 МГц с амплитудой от 1,0 до 5,0 В и потребляющие при этом не более 0,5 кВт при выходной мощности на излучателе не менее 0,1 кВт и коэффициенте полезного действия 85%; дистанционный индикатор поляризации вещества типа ЭДИП-2, работающий на принципе регистрации индуцированного сигнала электрополяризации атомно-молекулярной структуры сорбента; регистратор эффектов газовыделения при электромагнитном воздействии на образец сорбента (угля в конкретном эксперименте); вакуумный декриптограф ВД-6 с хроматографической приставкой ЛХМ-80.

Результаты по облучению 200 г предварительно дегазированного и вакуумированного угля представлены на рис. 3.

Рис. 3. Графики зависимости интенсивности газовыделения в вакууме из образцов углей Краснодонецкого месторождения Восточного Донбасса от частоты внешнего электромагнитного воздействия

Анализ представленных результатов показывает, что в первом образце зафиксированы только два максимума газовыделения при частотах соответственно 50 и 500 кГц, а во втором образце зафиксированы два максимума газовыделения при тех же частотах 50 и 500 кГц и два максимума при частотах 5 и 50 МГц. 

Таким образом, экспериментально подтверждён эффект электромагнитного воздействия для обоих образцов природного сорбента, газ в которых находился в адсорбированном состоянии, то есть подтверждён эффект трансформации микро- и макроструктуры сорбента, позволивший находящемуся в нём газу перейти из адсорбированного состояния в свободное. Практическая ценность возможности резонансного воздействия для интенсификации извлечения гелиона в том, что оно позволит в несколько раз уменьшить энергетические затраты на реализацию процесса по сравнению с тепловым нагреванием.

Практическая ценность возможности резонансного воздействия для интенсификации извлечения гелиона в том, что оно позволит в несколько раз уменьшить энергетические затраты на реализацию процесса по сравнению с тепловым нагреванием.

Одним из перспективных методов извлечения гелиона может стать его добыча из реголита с помощью микроорганизмов. Опыты, проведённые в этом направлении, показывают, что микроорганизмы могут не только существовать в условиях пониженной силы тяжести, глубокого вакуума и жёсткого ультрафиолетового излучения, характерного, например, для Луны, но и производить полезную работу.

Данное свойство микроорганизмов было не единожды доказано в ходе проведения экспериментов на Международной космической станции (МКС). Этот факт подтверждают и результаты экспериментов с микроорганизмами в рамках программы BIOMEX (имитация условий марсианского или лунного грунта) в период с октября 2014 года по июнь 2016 года на наружной стороне российского модуля «Заря», где был установлен контейнер с капсулами, в которых содержались микробы и водоросли, отобранные в безжизненных местах Земли. Ещё раз было убедительно подтверждено, что земные микроорганизмы не только выжили в космическом пространстве, но и сохранили высокую биологическую активность, причём под воздействием солнечной радиации агрессивные свойства микроорганизмов усиливаются.

Дальнейшие работы в этом направлении, которое можно назвать «Микробиологическое обогащение грунтов и горных пород безводных планет с пониженной силой тяжести», должны учитывать, во-первых, что микроорганизмам и только им свойственна необыкновенная многочисленность, разнообразие форм существования, распространённость в любых физических условиях, многообразие видов взаимодействия со средой обитания и влияния на неё.

Во-вторых, иметь в виду, что микроорганизмы ведут себя так, как будто у них есть определённая цель, направленная на выполнение предначертанного плана, который заключается в том, чтобы использовать доступную для клетки среду обитания для своего деления с образованием двух клеток из одной с максимально возможной скоростью.

В-третьих, учитывать, что микроорганизмы способны расщеплять самые разнообразные химические соединения в соответствии с принципом «микробной всеядности», сформулированным английским учёным Эрнестом Гейлом, который утверждает, что микроорганизмы способны при подходящих условиях окислить любое вещество, теоретически способное к окислению.

Именно эти свойства микроорганизмов служат фундаментальной основой для создания методов микробиологического обогащения полезных ископаемых, приводящих к повреждению насыпных грунтов и горных пород с освобождением полезного компонента, в том числе и гелиона.

Выводы

1. Дана количественная оценка постоянной Генри для изотермы адсорбции гелиона на лунном реголите, которая равна к = 3 × 10⁶ м³/т/Па. Знание её величины имеет практическое значение, так как позволяет более точно оценить общее количество гелиона на Луне, а также проектировать мощности по переработке реголита для его извлечения.
2. Представлено научное обоснование технологий извлечения гелиона из лунного реголита с помощью термодинамического нагрева, резонансного электромагнитного излучения и активного окисления микроорганизмами как перспективных и эффективных приёмов, имеющих в будущем практическое использование.
3. Показано, что исследования в области микробиологической трансформации реголита имеют огромное практическое значение, поскольку позволяют прогнозировать поведение микроорганизмов при создании систем жизнеобеспечения космических полётов, постоянных поселений на планетах и методов добычи полезных ископаемых на них.

Литература

1. Мельников Н. В. Горные инженеры. М.: Наука, 1981. 346 с.
2. Бронников Д. М., Замесов Н. Ф., Богданов Г. И. Разработка руд на больших глубинах. М.: Недра, 1982. 403 с.
3. Курбатова О. А., Харин А. З. История развития горной механики: Учеб. пособие. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2004. 137 с.
4. Черкасова Л. И. Исследования грунтов Луны. История и перспективы. Вестник МГСУ. 2011. № 5. С. 303.
5. Черкасов И. И., Шварев В. В. Грунт Луны. М. Наука, 1975. 321 с.
6. Моисеенко К. Б., Малик Н. А. Оценка суммарной массы выбросов вулканического пепла с использованием моделей атмосферного переноса // Вулканология и сейсмология. 2015. № 1. С. 35-55.
7. Дубинин М. М. Материалы к биографиям учёных СССР. Вып. 69 (Серия химических наук). М.: Наука, 1981. 102 с.
8. Бобин В. А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. М.: Изд-во ИПКОН АН СССР, 1987. 135 с.
9. Бобин В. А. Структурная трансформация газонасыщенного угольного вещества. Дальнейшее развитие физической химии газоносного угольного пласта. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. 108 с.
10. Бобин В. А. Оценка влияния волнового воздействия на степень дегазации газонасыщенного угля // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. № 8. С. 177-179.
11. Jonathan Amos. Beer microbes live 553 days outside ISS // BBC News. 2010. August 23. URL: https://www.bbc.com/news/science-environment-11039206 (Дата обращения: 20.02.2022).
12. Наталья Беспалова. Эксперимент Biomex на Международной космической станции дал удивительные результаты [Электронный ресурс] // Наука и техника. 2019. 01 апреля. URL: https://naukatehnika.com/eksperiment-biomex.html (Дата обращения: 20.02.2022).
13. Эрнест Гейл [Электронный ресурс] // Redday, 2022. URL: https://redday.ru/people/Gejl_Ernest_Frederik (Дата обращения: 20.02.2022).
14. Бобин В. А., Бобина А. В. Гироскопические горные машины для освоения полезных ископаемых Луны и строительства на ней постоянных поселений // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 2. С. 26-31.
15. Бобин В. А., Бобина А. В. Проект создания простейших поселений на этапе разведки недр Луны // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 2. С. 54-61.

References

1. Mel'nikov N. V. Gornye inzhenery. Moscow, Nauka, 1981. 346 p.
2. Bronnikov D. M., Zamesov N. F., Bogdanov G. I. Razrabotka rud na bol'shikh glubinakh. Moscow, Nedra, 1982. 403 p.
3. Kurbatova O. A., Kharin A. Z. Istoriya razvitiya gornoy mekhaniki. Vladivostok, DVGTU Publ., 2004. 137 p.
4. Cherkasova L. I. Issledovaniya gruntov Luny. Istoriya i perspektivy. Vestnik MGSU, 2011, no. 5, p. 303.
5. Cherkasov I. I., Shvarev V. V. Grunt Luny. Moscow, Nauka, 1975. 321 p.
6. Moiseenko K. B., Malik N. A. Otsenka summarnoy massy vybrosov vulkanicheskogo pepla s ispol'zovaniem modeley atmosfernogo perenosa. Vulkanologiya i seysmologiya, 2015, no. 1, pp. 35-55.
7. Dubinin M. M. Materialy k biografiyam uchenykh SSSR. Vol. 69 (Seriya khimicheskikh nauk). Moscow, Nauka, 1981. 102 p.
8. Bobin V. A. Sorbtsionnye protsessy v prirodnom ugle i ego struktura. Moscow, IPKON AN USSR, 1987. 135 p.
9. Bobin V. A. Strukturnaya transformatsiya gazonasyshchennogo ugol'nogo veshchestva. Dal'neyshee razvitie fizicheskoy khimii gazonosnogo ugol'nogo plasta. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. 108 p.
10. Bobin V. A. Otsenka vliyaniya volnovogo vozdeystviya na stepen' degazatsii gazonasyshchennogo uglya. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten', 2004, no. 8, pp. 177-179.
11. Jonathan Amos. Beer microbes live 553 days outside ISS. BBC News, 2010, August 23. Available at: https://www.bbc.com/news/science-environment-11039206 (Retrieval date: 20.02.2022).
12. Natal'ya Bespalova. Eksperiment Biomex na Mezhdunarodnoy kosmicheskoy stantsii dal udivitel'nye rezul'taty. Nauka i tekhnika, 2019, April 01. Available at: https://naukatehnika.com/eksperiment-biomex.html (Retrieval date: 20.02.2022).
13. Ernest Geyl. Redday. Available at: https://redday.ru/people/Gejl_Ernest_Frederik (Retrieval date: 20.02.2022).
14. Bobin V. A., Bobina A. V. Giroskopicheskie gornye mashiny dlya osvoeniya poleznykh iskopaemykh Luny i stroitel'stva na ney postoyannykh poseleniy. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2019, no. 2, pp. 26-31.
15. Bobin V. A., Bobina A. V. Proekt sozdaniya prosteyshikh poseleniy na etape razvedki nedr Luny. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2020, no. 2, pp. 54-61.

© Бобин В. А., Бобина А. В. 2022

История статьи:

Поступила в редакцию: 11.01.2022

Принята к публикации: 28.01. 2022

Модератор: Плетнер К. В.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования: Бобин В. А., Бобина А. В. Научные основы технологии добычи гелия-3 на Луне // Воздушно-космическая сфера. 2022. № 1. С. 30-37.