作為我國首次開展的月球軟著陸任務,嫦娥三號在月球正面成功登陸。如今,距離嫦娥三號登月已經十年零一個月過去了,它仍然還在月表上執行,國外業餘天文臺此前還接收到了它發出的X波段訊號。
月球的自轉很慢,其白天和黑夜各持續半個月,嫦娥三號能夠熬過這麼多個零下180度的極端低溫,得益於它攜帶的一塊放射性同位素電池,利用鈽-238放射性衰變產生的熱量來為嫦娥三號在寒夜保溫。
嫦娥三號著陸在月球正面的虹灣,我們擁有了具體著陸點的命名權,這裡已被命名為廣寒宮。與嫦娥三號一同前往廣寒宮的還有玉兔號月球車,它在月球上運行了兩年七個多的時間,遠超三個月的設計壽命。
在任務期間,玉兔號利用自身攜帶的月基探地雷達(GPR),對月表進行了原位雷達測量,為研究月球淺層地下結構及其內部資源提供了前所未有的機會。
根據我國科學家發表於《IEEE應用地球觀測和專題期刊》(IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing)的一項研究[1],透過玉兔號的高頻雷達觀測資料,科學家分析了廣寒宮月表土壤的厚度分佈。根據月壤中二氧化鈦的含量,確定了月表氦-3的濃度。
結果顯示,嫦娥三號著陸點附近的氦-3含量很高,比月球整體平均含量至少高了5倍。據估計,每克氦-3目前的價值高達20625美元。我國科學家認為,廣寒宮可能是未來開採月球氦-3資源的潛在選址。那麼,氦-3究竟有什麼作用?為何有這麼高的價值?
目前,各類化石燃料是全球能源的主要來源。但這些化石燃料被認為是不可再生的,而且人類消耗的速度越來越快,所以人類未來將會面臨能源短缺問題。而解決這一問題的關鍵,被認為是可控核聚變。
太陽已經“燃燒”了46億年,其源源不斷的能量之源在於核心區域的氫核聚變反應。在1500萬度高溫和2615億個地球表面大氣壓的作用下,四個氫原子核相互碰撞結合成一個氦原子核,反應前後出現了質量虧損,一部分質量被轉變成能量釋放出來。
據估計,目前全球每年消耗的能量約為5.8萬億億焦耳,相當於消耗了138億噸石油。而太陽每秒產生的能量可達386億億億焦耳,這可供目前全人類使用66萬年。因此,原子核中蘊藏的巨大能量非常值得開發。
事實上,人類已經在使用核聚變的能量,這就是氫彈。但氫彈是不可控的,巨大的能量會在一瞬間釋放出來,我們無法將其應用於生產生活之中。因此,我們需要控制核聚變反應產生的能量,使其能量釋放能夠可控並且可持續。
由於普通氫原子核,也就是氕,其發生核聚變反應的條件極為苛刻,我們不可能像太陽那種方式來進行核聚變反應。相比之下,氫的同位素氘和氚,其原子核比氕分別多了一箇中子和兩個中子,它們之間較容易發生核聚變反應,這是當前可控核聚變主要採用的核燃料。
雖然氘和氚的核聚變反應要比核裂變反應更加清潔很多,但仍然會產生中子輻射。而如果採用氦-3,無論是氦-3之間的反應,還是將其與氘和氚都不會產生中子輻射,並且能夠產生更多的能量。因此,氦-3可謂是完美的核聚變燃料。
但遺憾的是,地球上的氦-3儲量極少,開採成本極高。按照目前估算,每克氦-3價值20625美元,相當於每噸206億美元,或者每噸1480億元人民幣。
而在月球上就有豐富的氦-3,儲量估計為110萬噸。只要開採100噸氦-3就夠人類使用一年,我國則只需幾十噸。除了月球,水星上有更多的氦-3,儲量估計將近1000萬噸,而木星和土星大氣中還有更多的氦-3。
研究人員估計,以當前的航天技術,在月球上每年開採2噸氦-3的成本在77億至205億美元之間,開採20噸則在456億至1403億美元之間。如果按照每年開採20噸氦-3來計算,每噸的成本估計為22.8億至70.2億美元,遠低於現在每噸206億美元的成本。
研究人員認為,開採月球氦-3在成本上是可行的。嫦娥三號所在的廣寒宮擁有豐富的氦-3,那裡的含量是月球平均水平的5倍以上,未來可以去那裡開採。
當然,在月球上開採氦-3是一項極為複雜的系統工程,畢竟是在地球之外的其他星球上,需要進行充分論證。隨著近年來商業航天的快速發展,未來太空運輸成本將會大幅降低,這將更有利於人類去月球開採氦-3。
參考文獻
[1] Chunyu Ding, Qingquan Li, Jiangwan Xu, et al. Moon-Based Ground Penetrating Radar Derivation of the Helium-3 Reservoir in the Regolith at the ChangE-3 Landing Site, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2023, 16, 2764-2776.