作为我国首次开展的月球软着陆任务,嫦娥三号在月球正面成功登陆。如今,距离嫦娥三号登月已经十年零一个月过去了,它仍然还在月表上运行,国外业余天文台此前还接收到了它发出的X波段信号。
月球的自转很慢,其白天和黑夜各持续半个月,嫦娥三号能够熬过这么多个零下180度的极端低温,得益于它携带的一块放射性同位素电池,利用钚-238放射性衰变产生的热量来为嫦娥三号在寒夜保温。
嫦娥三号着陆在月球正面的虹湾,我们拥有了具体着陆点的命名权,这里已被命名为广寒宫。与嫦娥三号一同前往广寒宫的还有玉兔号月球车,它在月球上运行了两年七个多的时间,远超三个月的设计寿命。
在任务期间,玉兔号利用自身携带的月基探地雷达(GPR),对月表进行了原位雷达测量,为研究月球浅层地下结构及其内部资源提供了前所未有的机会。
根据我国科学家发表于《IEEE应用地球观测和遥感专题期刊》(IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing)的一项研究[1],通过玉兔号的高频雷达观测数据,科学家分析了广寒宫月表土壤的厚度分布。根据月壤中二氧化钛的含量,确定了月表氦-3的浓度。
结果显示,嫦娥三号着陆点附近的氦-3含量很高,比月球整体平均含量至少高了5倍。据估计,每克氦-3目前的价值高达20625美元。我国科学家认为,广寒宫可能是未来开采月球氦-3资源的潜在选址。那么,氦-3究竟有什么作用?为何有这么高的价值?
目前,各类化石燃料是全球能源的主要来源。但这些化石燃料被认为是不可再生的,而且人类消耗的速度越来越快,所以人类未来将会面临能源短缺问题。而解决这一问题的关键,被认为是可控核聚变。
太阳已经“燃烧”了46亿年,其源源不断的能量之源在于核心区域的氢核聚变反应。在1500万度高温和2615亿个地球表面大气压的作用下,四个氢原子核相互碰撞结合成一个氦原子核,反应前后出现了质量亏损,一部分质量被转变成能量释放出来。
据估计,目前全球每年消耗的能量约为5.8万亿亿焦耳,相当于消耗了138亿吨石油。而太阳每秒产生的能量可达386亿亿亿焦耳,这可供目前全人类使用66万年。因此,原子核中蕴藏的巨大能量非常值得开发。
事实上,人类已经在使用核聚变的能量,这就是氢弹。但氢弹是不可控的,巨大的能量会在一瞬间释放出来,我们无法将其应用于生产生活之中。因此,我们需要控制核聚变反应产生的能量,使其能量释放能够可控并且可持续。
由于普通氢原子核,也就是氕,其发生核聚变反应的条件极为苛刻,我们不可能像太阳那种方式来进行核聚变反应。相比之下,氢的同位素氘和氚,其原子核比氕分别多了一个中子和两个中子,它们之间较容易发生核聚变反应,这是当前可控核聚变主要采用的核燃料。
虽然氘和氚的核聚变反应要比核裂变反应更加清洁很多,但仍然会产生中子辐射。而如果采用氦-3,无论是氦-3之间的反应,还是将其与氘和氚都不会产生中子辐射,并且能够产生更多的能量。因此,氦-3可谓是完美的核聚变燃料。
但遗憾的是,地球上的氦-3储量极少,开采成本极高。按照目前估算,每克氦-3价值20625美元,相当于每吨206亿美元,或者每吨1480亿元人民币。
而在月球上就有丰富的氦-3,储量估计为110万吨。只要开采100吨氦-3就够人类使用一年,我国则只需几十吨。除了月球,水星上有更多的氦-3,储量估计将近1000万吨,而木星和土星大气中还有更多的氦-3。
研究人员估计,以当前的航天技术,在月球上每年开采2吨氦-3的成本在77亿至205亿美元之间,开采20吨则在456亿至1403亿美元之间。如果按照每年开采20吨氦-3来计算,每吨的成本估计为22.8亿至70.2亿美元,远低于现在每吨206亿美元的成本。
研究人员认为,开采月球氦-3在成本上是可行的。嫦娥三号所在的广寒宫拥有丰富的氦-3,那里的含量是月球平均水平的5倍以上,未来可以去那里开采。
当然,在月球上开采氦-3是一项极为复杂的系统工程,毕竟是在地球之外的其他星球上,需要进行充分论证。随着近年来商业航天的快速发展,未来太空运输成本将会大幅降低,这将更有利于人类去月球开采氦-3。
参考文献
[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 Chang'E-3 Landing Site, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2023, 16, 2764-2776.