月球暢想 開發能源基地

2007年11月21日15:11  來源:人民網科技

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  正當人類為煤炭、石油和天然氣等傳統化石燃料逐漸枯竭而擔憂之時,月球岩土給人們帶來無限的希望:科學家們研究美國阿波羅號飛船從月球上取回的岩土發現,岩土中含有大量的氦-3,這是核聚變發電的寶貴燃料。

  近些年來新一輪探月活動之所以越來越熱鬧,除了科學研究方面的強烈追求外,經濟利益方面的追求是個重要因素,而大力開發利用月球上的寶貴物質氦-3作為地球上替代能源,則是經濟利益追求的一個重要方面。

  在地球上靠打能源牌實現強國的俄羅斯,也想把這張牌打到月球上去。俄羅斯能源火箭航天集團早就做出明確的計劃,要在2015年派載人飛船到月球上建立永久性基地,並著手全力開發利用月球能源。

  因快速發展帶來能源緊缺的中國,在推動建立節約型社會、努力實現可持續發展的同時,對開發利用月球上的能源也充滿了期待,中國探月工程首席科學家歐陽自遠就曾多次表明十分看好開發利用月球上的能源。

  美國科學界和輿論界對中國和俄羅斯探月活動的意向也十分敏感,在今年2月出版的美國《新聞周刊》上刊載一篇題為《新的月球競賽》的文章,文中明確指稱:在探月方面 “驅使中俄的動力就是能源”。

  到月球上建立能源基地,為人類尋找新的替代能源,這是人類共同的理想。

  月球傳來希望

  隨著全球經濟的快速發展,能源消耗的迅速增加,煤炭、石油和天然氣等傳統的化石能源面臨著枯竭的危險,據專家們預測,傳統化石燃料至多能維持到本世紀中期。

  人類早就千方百計地從太陽能、水能、風能、生物能中尋找新的替代能源。這些能源都很重要,但專家們認為,它們都有自身的局限性。太陽能的能流密度太低,隨晝夜、晴雨、季節的變化很大,難以成為大規模的工業能源,隻能滿足家庭以及一些特殊需要﹔水能增長的速度跟不上能耗增長速度,並對生態、生物鏈產生難以估量的影響﹔風能、地熱能、潮汐能的資源和利用也各有局限,在未來的能源開發中作用不大﹔生物能倒是一種可以大規模使用的再生能源,但再生速度也難以趕不能源消耗增長的需要。

  於是,人們把目光轉向了核能,首先寄希望於以原子彈所用的裂變物質鈾-235或?-239進行裂變發電。許多發達國家的核電發展十分迅速,法國的核電能源都佔了全部能源的百分之七十多。我國核電發展時間不長,核電運行機組裝機容量隻佔全國發電裝機容量的1.59%,累計發電量隻佔總發電量的2.3%,國家規劃要加大發展力度,在今后15年間至少每年要批准建設一座大型核電站。但是,用作核裂變發電的燃料畢竟有限,核污染和核安全雖可以做到有效控制,但總是讓人心裡不踏實。上世紀80年代前蘇聯切爾諾貝利核電站事故發生后,就使不少發達國家核電事業的發展停滯了相當長一段時間,直到近幾年才有所緩解。

  目前,人們正在致力於研究開發可控核聚變發電,其中一個世界性的項目就是“國際熱核反應堆”,歐盟和中國、美國、日本、韓國、俄羅斯、印度等國都先后陸續參與,已經過20多年的努力,現正進入艱巨的攻堅階段。人們對此寄於巨大希望,將它比作“人造太陽”,稱之為“21世紀的人傳給后代的紀念碑”,並力爭在30年到50年之間投入商業化應用。

  以這種方式發電目前主要考慮利用從海水中提煉出來的氘和氚作燃料,這種燃料當然十分充足,可以取之不盡,用之不竭。但是,氚本身具有放射性,在氚核反應過程中,伴隨核聚變能的產生而產生大量的高能中子,這對核反應裝置產生嚴重的放射性損害,解決這一難題十分困難,因而影響了這一研究開發的進展速度,最好的燃料是氦-3,而地球上的氦-3極為稀缺,估算總量隻有幾噸到十幾噸。

  正當人們進行艱苦探索之際,從月球岩土樣品的研究中傳來喜訊:這些岩土中含有大量的氦-3。

  氦-3成為至寶

  氦-3是氦的同位素,含有兩個質子和一個中子。與氚相比,它是一種清潔、高效、安全的核聚變發電的燃料。它聚變反應的能量大﹔聚變反應時主要產生高能質子,不會形成強大的中子輻射,對環境保護更為有利﹔它本身不僅沒有放射性,而且反應過程中無緩發中子,無裂變物質,衰變余熱小,維修和部件更換更容易,更易於控制,因此受到國際核聚變界的廣泛重視。

  月球上的氦-3來自太陽風。太陽風由90%的質子(氫核)、7%的高能粒子(氦核)和少量其他元素的原子核組成,氦-3正是太陽風中的高能粒子。月球上沒有磁場的干擾和大氣層的阻隔,太陽風粒子流能直達月球表面,被月球上的岩土所“吸附”。月球形成已經40多億年,由於流星和微流星的頻繁撞擊,月球上的岩土不斷翻騰、濺射,在縱向和橫向上充分混合,“吸附”了氦-3的岩土也越來越厚。 在月海地區至少有9到10米厚,在月陸地區也有4到5米厚。

  月球的直徑有3476公裡,表面積有3800萬平方公裡,雖然隻有地球表面積的十四分之一,大約相當於中國陸地的四倍,但月球被專家們稱為“太陽風粒子收集器”。據測算,月球上的氦-3儲量大約有100萬噸到500萬噸,甚至有人估算有5億噸。在地球上的大氣和天然氣中也有少量的氦-3,在核反應中也會產生氦-3,但整個地球上的儲量與月球上的儲量不可同日而語,所以它對地球人類充滿了誘惑力。

  據專家們測算,如果在10─15平方公裡范圍內挖掘並加工深度為3米的月球岩土,就可以提取約1噸的氦-3,足以保証一個功率1000萬千瓦的發電機組工作1年。每燃燒1公斤氦-3就可產生19兆瓦的能量,足夠供莫斯科市照明用6年多。用美國的航天飛機往返運輸,一次可運回20噸液化氦-3,可供美國一年的電力。我國每年大約隻需要10噸氦-3,就可以滿足全年能源的需要。按照全球目前的能源需求水平,一年有100噸氦-3就能滿足全世界的消耗,這些氦-3一年用航天飛機運輸三五次就夠了。按照這樣的推算,月球上的氦-3可以供地球用上幾千年甚至上萬年。

  專家們對在月球上採掘加工氦-3並運回地球發電進行了成本對比分析,得出的結論是在經濟上完全劃算,因為在發電量相同的情況下,使用月球上的氦-3,其花費只是目前核電站發電成本的10%。如果以目前的石油價格為標准,每噸氦-3價值高達40億到100億美元,這真是月球上的無價之寶。

  利用氦-3設想

  月球上的氦-3儲量如此豐富,利用氦-3進行核聚變發電具有如此巨大的優勢性,各國專家由此提出了許許多多的設想。

  第一類設想是在月球上建立氦-3採掘廠,將採掘加工出來的氦-3運往地球發電。

  人們要從地球上運送若干套掘土機、傳送帶、運載車、分類篩選設備等開採設備到月球,在月球上選擇含氦-3較豐富的區域建立採掘加工廠。先將月球岩土開掘出來,經過粉碎篩選,放入真空加熱釋氣爐中,加熱到600℃,90%以上的氦氣就釋放出來了。將這些含有氦-3和氦-4的氦氣送入分離設備中進行分離處理,即可得到純度為99.99%氦-3。再將這些氦-3液化,就可以運回地球。在提取、分離和液化過程中,可以盡可能地利用月球上的太陽能和晝夜溫差大等特殊的自然環境,合理降低成本。

  在採掘加工好氦-3后,可以用與目前航天飛機大小相當的不載人運輸飛船,往返地球和月球之間進行氦-3的運輸,一次可運載20噸到30噸液態氦-3回地球。在地球上可建立起美國威斯康星大學設計的托卡馬克氦-3核聚變反應堆進行聚變發電。當然,這種反應堆的許多技術還正在研究開發。不過,法國科學家對此充滿信心,他們最近宣布,2030年就可以利用氦-3進行核聚變發電,並可實現商業化。

  第二類設想是在月球上建立氦-3核聚變發電廠就地發電,並設法傳送回地球使用。

  為了減少氦-3運輸的麻煩,降低發能源供應的成本,不少國家設想將地球上實驗使用成熟的核聚變發電設備送往月球,直接在月球上建造核電站,就地利用氦-3發電。這些巨大的電力除供給月球基地使用外,絕大部分通過激光或微波輸送到位於近地軌道上的能量中繼衛星,由中繼衛星仍以激光或微波形式傳送到地球電力接收站,再由地球電力接收站分送到全球各地用戶。在月球上建造核電站還不必擔心核泄漏帶來的污染和安全問題。

  第三類設想是直接用氦-3,或者是採掘加工氦-3過程中產生的氫氣作火箭和飛船的燃料。

  由於月球上沒有大氣的影響,月球的引力也隻有地球的六分之一,月球被當作將來向火星等其他星球發射探測器和飛船的理想之地。在這裡不必等待發射窗口,所需要的火箭推力也隻相當於在地球上發射的六分之一。將來在月球上採掘加工的氦-3可以直接用作火箭或飛船的燃料,地球上的載人飛船也可以到月球上停留加注氦-3作燃料,然后再飛向火星或其他星球。同時,月球土壤中每提取一噸氦-3,還可以得到6300噸的氫,氫也可以作火箭的燃料。

  能源基地遠眺

  隨著科學技術的發展,關於開發利用月球上的氦-3的種種設想一定會越來越豐富多彩,越來越詳盡具體,越來越接近最終的實踐,絕對不會是紙上談兵或空中樓閣。而且,在月球上建立能源基地不僅僅是開發利用氦-3,月球上的太陽能也有很廣闊的開發利用前景。

  月球上的太陽能是極為豐富的,因為沒有大氣層的影響,太陽輻射可以長軀直入,每年到達月球范圍的太陽光輻射能量高達12萬億千瓦,相當於目前地球上一年消耗的各種能源所產生的總能量的2.5萬倍。採用目前非常成熟的光電轉換技術,在月球上進行太陽能發電是比較容易的,而且不必擔心土地的佔用,在月球上可以無限制地鋪設太陽能電池板。

  許多專家對在月球上利用太陽能發電都有十分濃厚的興趣。專家們測算,如果用光電轉化率為20%的太陽能發電裝置,每平方米太陽電池每小時可發電2.7千瓦時,若採用1000平方米的電池,則每小時可產生2700千瓦時的電能。這些電能同樣可以通過激光或微波輸送到中繼衛星,再傳送到地球電力接收站,直至送到全球各地用戶。

  考慮到月球上白天和黑夜都相當於14個地球日,太陽能發電廠可優先建造在太陽光照時間較長的兩極地區。隨著月球基地建設的發展,還可以通盤考太陽能發電廠的布局,有的建造在月球的正面,有的建造在月球的背面,形成全球性的並聯式太陽能發電廠,太陽能發電廠與核電廠還可以實行聯網。這樣不僅可以平穩充足地供應月球基地用電,也可以平穩充足地向地球送電。

  在可以想象的未來,由氦-3採掘加工廠、核發電廠和太陽能發電廠組成的月球能源基地,不僅可以為月球的長夜帶來光明,為月球的開發利用帶來強大的動力,也可以為地球的能源接替做出無可估量的貢獻,為人類飛向火星等其他星球加油增力。

  試看將來的月球,絕不僅僅是供人類欣賞的“冰輪”,而是一個可以推動整個宇宙開發利用的強有力的巨輪!

(責編:趙竹青)
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