登陆注册
10789300000006

第6章 神奇的氦-3

什么是氦

我们先简单地了解一下:在地球自然界,存在着3He(He-3)和4He(He-4)两种同位素。4He的原子核有2个质子和2个中子,称为玻色子;而3He只有1个中子,称为费米子。20世纪30年代末期,卡皮查发现4He的超流动性。朗道从理论上解释了这种现象,他认为当温度在绝对温度2.17K时,4He原子发生玻色爱因斯坦凝聚,成为超流体,而像3He这样的费米子即使在最低能量下也不能发生凝聚,所以不可能发生超流动现象。金属的超导理论(BCS理论)的提出,使得人们认为在极低温度下3He也可能会形成超流体。但是人们一直未能在实验上发现3He的超流动性。20世纪70年代,戴维·李领导的康奈尔低温小组首次发现了3He的超流动性,不久,其他的研究小组也证实了他们的发现。

3He超流体的发现在天体物理学上有着奇特的应用。人们使用相变产生的3He超流体来验证关于在宇宙中如何形成所谓宇宙弦的理论。研究小组用中微子引起的核反应局部快速加热超流体3He,当它们重新冷却后,会形成一些涡旋球。这些涡旋球就相当于宇宙弦。这个结果虽然不能作为宇宙弦存在的证据,但是可以认为是对3He液体涡旋形成的理论的验证。3He超流体的发现不仅对凝聚态物理的研究起了推动作用,而且在此发现过程中所使用的磁共振的方法,开创了用磁共振技术进行断层检验的先河,今天磁共振断层检验已发展成为医疗诊断的普遍手段。

氦-3神奇在哪里

氦-3是氦的同位素,含有2个质子和1个中子。它有着许多特殊的特性。当氦-3和氦-4以一定的比例相混合后,通过稀释制冷理论,温度可以降低到接近绝对零度。在温度达到2.18K以下的时候,液体状态的氦-3还出现“超流”现象,即没有黏滞性,它甚至可以从盛放的杯子中“爬”出去。然而,当前氦-3最被人重视的原因还是它作为能源的潜力。氦-3可以和氢的同位素氘发生核聚变反应,但是与一般的核聚变反应不同,氦-3在聚变过程中不产生中子,所以放射性小,而且反应过程易于控制,既环保又安全。

开发利用氦-3

开发利用月球土壤中的氦-3,将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一。

从20世纪90年代开始,人类掀起了新一轮的探月高潮,在这次探月高潮中,氦-3成为世人共同的目标。但是,月球氦-3的形成和分布特征、储量和应用,仍是月球科学研究中亟待解决的问题,只有通过大量的探测和重返月球野外实地考察,才能获得较为满意的回答。

1.氦-3的形成机理

月球表面的土壤是由岩石碎屑、粉末、角砾岩、玻璃珠组成的,其结构松散且相当软。月海区的土壤一般厚4~5米,高地的土壤较厚,但也不超过10米。月球土壤的粒度变化范围很宽,大的几厘米,小的只有一毫米或微米级,这些细土一般称为月尘。月球土壤中细小的角砾岩及玻璃珠,约占70%,小颗粒状玄武岩及辉长岩约占13%。惰性气体在月球玄武岩和高地角砾岩中含量极低,大气中就更低,几乎为零。然而,月壤和角砾岩中氢气元素则相当丰富。这是由于太阳风的注入,太阳风实际上是太阳不断向外喷射出的稳定的粒子流。1965年“维那3号”火箭对太阳风的化学组成进行了直接测定,结果显示,太阳风粒子主要是由氢离子组成的,其次是氦离子。由于外来物体对月球表面撞击,使月壤物质混杂,在探达数十米的范围内存在着这氢气元素。太阳离子注入物体表面的深度,通常小于0.2微米。因此,这些元素在月壤最细颗粒中含量最高,大部分注入气体的粒子堆积粘合成月壤角砾岩或黎聚在玻璃珠的内部。氦大部分集中在小于50微米的富含钛铁矿的月壤中。

2.氦-3的利用前景

月球上的氦-3所能产生的电能,相当于1985年美国发电量的4万倍,考虑到月壤的开采、排气、同位素分离和运回地球的成本,氦-3的能源偿还比估计可达1∶250。这个偿还比和铀235生产核燃料(1∶20)及地球上煤矿开采(偿还比约1∶16)相比,是相当有利的。

此外,从月壤中提取1吨氦-3,还可以得到约6300吨的氢、70吨的氮和1600吨碳。这些副产品对维持月球永久基地来说,也是必需的。俄罗斯科学家加利莫夫认为,每年人类只需发射2~3艘载重10吨的宇宙飞船,即可从月球上运回大量氦-3,供全人类作为替代能源使用1年,而它的运输费用只相当于目前核能发电的几十分之一。据加利莫夫介绍,如果人类目前就开始着手实施从月球开采氦-3的计划,大约30~40年后,人类就能实现月球氦-3的实地开采并将其运回地面,该计划总的费用将在2500万~3000万美元。

有人提出,可不可以不将氦-3运回地球,而是直接在月球上建立核能源基地,通过电能传输到静止轨道上的中断卫星,再传送到位于地球的接收站,然后分配到各个地区,供用户使用呢?科学家们预测,在月球上建立核电站并保持其正常工作,难度要比从月球上运回原料氦-3在地球上发电大得多。

“嫦娥一号”卫星搭载的探月仪器探测月球土壤厚度与元素含量是该探测卫星工作的重要内容。氦-3作为最有潜力的新能源,也是我国探卫星获取其资源信息的重要内容。

同类推荐
  • 最佳课堂:宇宙探谜

    最佳课堂:宇宙探谜

    把兴趣引进课本,使爱好代替讲台,将学生的被动接受知识变为主动学习吸收,激发学生的阅读热情与探索精神,奠定良好的知识基础与创新素质,这就是本套全书的宗旨。本套全书根据全国中小学教学大纲的要求,同时根据创新素质教育的要求,再结合全国中小学各科课本的同步内容编撰而成,是各学科的有益补充和知识范围的深层挖掘,是现代中小学生都必须掌握的知识内容。这些百科未解知识之谜,能够增长中小学生的知识,开拓他们的视野。
  • 历史考证百科(科学探索百科)

    历史考证百科(科学探索百科)

    本套书全面而系统地介绍了当今世界各种各样的科学难解之谜,集知识性、趣味性、新奇性、疑问性与科学性于一体,深入浅出,生动可读,通俗易懂。目的是使读者在兴味盎然地领略科学难解之谜现象的同时,能够加深思考,启迪智慧,开阔视野,增加知识;能够正确了解和认识这个世界,激发求知的欲望和探索的精神,激起热爱科学和追求科学的热情,不断掌握开启人类世界的金钥匙,不断推动人类社会向前发展,使我们真正成为人类社会的主人。
  • 昆虫奇闻之谜

    昆虫奇闻之谜

    本套书主要介绍古今中外关于人类诸多未解的社会、自然现象,包括《中国自然遗产之谜》、《星球宇宙之谜》、《巨兽异兽之谜》等20个分册。
  • 奇异有趣的动物世界(新编科技大博览·B卷)

    奇异有趣的动物世界(新编科技大博览·B卷)

    由于全书内容涵量巨大,我们将其拆为A、B两卷。A卷包括:形形色色的现代武器、精彩绚丽的宇宙时空、日新月异的信息科学、握手太空的航天科技、穿越时空的现代交通、蓬勃发展的现代农业、日益重要的环境科学、抗衡衰亡的现代医学、解读自身的人体科学、走向未来的现代工业,共十卷。B卷包括:玄奥神秘的数学王国、透析万物的物理时空、奇异有趣的动物世界、广袤绮丽的地理、生机百态的植物世界、扑朔迷离的化学宫殿、蔚蓝旖旎的海洋、探索神秘的科学未知,共八卷。
  • 飞碟现象未解之谜

    飞碟现象未解之谜

    有一种圆碟状的发光体,它总是不经意地出现在星空中,忽明忽暗在空中飞旋,不停变换着方位和角度。它能在空中旋转,长时间停留,还能发出各种绚丽的光芒——这个在世界各地都曾发现的神秘的物体,引起人们太多的讨论和猜想,成为人类探索宇宙的最大谜题之一。很多人都认为它是外星人到达地球的飞行器,也有人认为它是一种气象或者天文现象,但是至今,也没有一个确切的答案。因为它的外形通常是圆盘,而且闪着光飞翔在宇宙中,人们因而称之为“飞碟”;同时因为它来历不明,又被称为“不明飞行物”(unidentified flying object ),英文简称“UFO”。
热门推荐
  • 重生之女王霸气回归

    重生之女王霸气回归

    上一世怪她太傻,信了那些不该信的人,落得凄惨的下场。这一世,她重生了,她要把他们欠她的都还回来。她要女王式霸气回归,看女主如何报复那些人。片段一:“月梵音,凭什么你可以拥有那么多财产,为什么我什么也没有,我要让你身败名裂!哈哈哈...哈哈哈......片段二:“小音,原谅我好不好,以后再也不趁你不注意时偷亲你了......
  • Father Sergius

    Father Sergius

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。
  • 魔偶战纪

    魔偶战纪

    引气入体,羽化飞升?凝结魔晶,本命魔盒?叔叔说,这些都是骗人的!传统修炼方法统统作废,魔偶才是正道!穷屌丝穿越到如此异界,要如何搞定群雄,率领凡人将神明们干翻?
  • 末世雇佣之系统

    末世雇佣之系统

    末世的突然来临!!这是一个契机,又或者是一场灾难!是上帝要毁灭人类,又或者是上帝要促进人类的进化!!!且看周言如何在神秘系统的帮下走上巅峰!!!
  • 从异世界路过

    从异世界路过

    只是一个很普通的人,没有逆天的功法,运气,天赋,也没有不凡的老师。他只能靠自己,一步一步地慢慢走,也不知道哪一天死亡的就是自己。真实的异界之旅
  • 超品跟班

    超品跟班

    他是荒芜之地走出的妖孽少年,也是代号“大圣”的传奇骄子。重回校园后,却不幸沦为千金小姐的贴身跟班……美女太多?通吃。宵小张狂?横扫。婆娑世界,万族争锋,且看少年如何一骑绝尘。
  • 魔神养成系统

    魔神养成系统

    穿梭不同世界,打破空间障壁,异世界只是我成神的垫脚石。“什么,获得小龙女的崇拜”“神仙姐姐也要求我带她玩转仙界”成神真的不要太容易:“恭喜宿主获得本世界10名女修的崇拜,成功将撒旦的影响扩大到异域,正式成为撒旦的使徒。”魔鬼的诱惑算什么,我们的口号是——干掉撒旦,我就是老大。
  • 千金宝贝拽兮兮

    千金宝贝拽兮兮

    隐藏身份来到著名城市A市,刚进学校就遭到各位同学夸张的形容,见义勇为却招惹“成干上万''名小粉丝的追捧,“这好像不是我最终来的目的吧”夏洛樱雪彻底无语,无耐,却越弄越糟,“嘿,听说学校里新出了一个大姐头,很厉害的呢”。“对呀,大家都说她很厉害呢,曾经还打败了B市最有名学校里的跆拳道高手呢,最后学生部的人包括校长都向她下跪求挠”。各种对她“英勇事迹''的形容如潮水般向她涌来,“啊”她烦躁地揪着头发。最后,传到了他们的耳中...
  • 沐樱

    沐樱

    是谁,让星耀殿殿下赶尽杀绝?让圣光殿殿主苦苦追寻?让杭州刺史宠爱不已?让魔皇殿下头疼不已?她风华绝代回眸一笑,倾国倾城却愿为他香消玉殒他风流倜傥翻手为云覆手雨却只为她冷眼天下且笑看天下风云奇事,乐观女主无厘头囧事
  • 困龙道

    困龙道

    封神宫内,众神云集,突然一口棺材从天而降。只见那口棺材金光闪闪,发出耀眼光芒,众神见之,无不惊叹。进而有着半数神仙离开座位向那棺材走去,想一睹为快!是何人棺材让众神都惊叹呢?蓝色星球上,一个孤傲的身影踩着极地之光电闪而来。