本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
目前,我國的嫦娥五號已經帶著2公斤月球土壤飛離月球,進入環繞月球飛行的預定軌道。待到合適的時間窗口,它將啟程返回地球,為我們帶回極為珍貴的月壤。
嫦娥五號挖到的土並不是一般的土,這引起了很多科學家的極大興趣。此前,美國宇航局(NASA)的阿波羅載人登月任務帶回的月巖都十分古老,年齡普遍達到了31.6億年。而嫦娥五號登陸了一個比較年輕的月表區域,在那裡可以挖到大約12億年前的月壤,填補月球時間空白,這能讓科學家進一步揭開月球的演化之謎。
更為重要的是,嫦娥五號帶回的月壤中還蘊藏著一種極為稀有的能源物質——氦-3。未來,氦-3很有希望解決能源危機問題,推動人類文明又一次突破性發展。正是出於這個原因之一,多個國家正對月球虎視眈眈,摩拳擦掌,準備前去月球開採,並建造永久性的月球基地。
那麼,氦-3究竟是什麼東西呢?為什麼氦-3蘊含著巨大的能量呢?
氦-3是氦的一種同位素,它的原子核比最為穩定的氦-4少了一個中子,只包含一個中子和兩個質子。氦-3的最重大潛在價值是用作可控核聚變的燃料,可以說是一種完美的能源物質。
目前,科學家正在研究的可控核聚變主要基於氫的兩種同位素——氘(H-2)和氚(H-3)。不過,氘和氚的核聚變反應會產生中子,雖然它們可以在很大程度上被處理掉,但這種核聚變反應仍然不是百分之百清潔的。
相比之下,氘、氚與氦-3或者氦-3與氦-3的核聚變反應沒有中子輻照問題,只會產生質子。由於質子帶正電荷,它們能夠通過外加電場進行無害化處理。不僅如此,氦-3的核聚變反應還會產生更多的能量。據估計,僅100噸的氦-3發生核聚變,所產生的能量就夠全球使用一年。
傳統的可控核聚變最終還是利用核反應釋放出的能量來加熱水,由此產生高壓水蒸氣,推動渦輪機進行發電。而氦-3的核聚變不需要燒水發電,可以通過像燃料電池的方式來直接發電,這種應用將是前途無量。人類不但能解決能源危機問題,而且還能真正飛向星辰大海。
雖然氦-3的應用前景巨大,但它們在地球上十分稀有,這與氦-3的形成方式有關。太陽風中存在氘和氚,當它們轟擊行星的表面時將會產生氦-3。如果天體存在一個強大的磁場和濃厚的大氣,太陽風難以到達表面,氦-3也就很難產生。
月球幾乎沒有磁場和大氣,它的表面長期遭受太陽風的正面襲擊,所以月表積累了豐富的氦-3,可開採的儲量估計可達100萬噸,遠超地球的幾百公斤。也就是說,月球上的氦-3儲量足夠讓人類用上1萬年。從月壤中提取出氦-3的同時,還能獲得大量的氫、氦和碳等有用的資源。
除了月球之外,其他天體上還有更加豐富的氦-3。由於水星沒有大氣,磁場很弱,並且要比月球更加靠近太陽,體積更大,所以水星上的氦-3儲量非常豐富,估計可達900萬噸。另外,NASA的伽利略號木星探測器在1995年發回的數據表明,木星的大氣中也存在豐富的氦-3。
考慮到月球上的氦-3,以及月球作為深空探測的跳板,多個國家打算在月球上建造基地。此前,俄羅斯邀請中國一同建立月球基地,美國聯合另外七個國家開展新的探月任務,NASA計劃於2024年把人類再次送上月球。
由此可見,嫦娥五號任務對我國的探月乃至深空探測意義重大。月球或將迎來人類激烈的競爭,我們不能再錯過眼下的「大航天時代」。