211service.com
De maan ontginnen
Aan het begin van de 21e eeuw hadden maar weinigen kunnen voorspellen dat er in 2007 een tweede race om de maan zou plaatsvinden. Toch zijn de tekenen dat dit nu het geval is. Bovendien concurreert in de huidige maanrace, in tegenstelling tot die tussen de Verenigde Staten en de USSR in de jaren zestig, een volledige selectie van 21e-eeuwse wereldmachten, waaronder China en India.
Hete gassen: Onderzoekers van het Fusion Technology Institute van de University of Wisconsin-Madison testen deze fusiereactor, getoond met zicht op het raster waarin de elektrostatische opsluiting plaatsvindt.
Nog verrassender is dat een van de redenen voor een groot deel van de belangstelling de plannen lijken te zijn om helium-3 - naar verluidt een ideale brandstof voor fusiereactoren maar bijna niet beschikbaar op aarde - vanaf het oppervlak van de maan te ontginnen. NASA's Vision for Space Exploration stelt dat Amerikaanse astronauten volgens planning in 2020 weer op de maan zullen zijn en daar tegen 2024 permanent een basis zullen bemannen. Hoewel de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie geen wens heeft aangekondigd of ontkend om helium-3 te ontginnen, heeft het desalniettemin voorstanders van mijnbouw He3 in invloedrijke posities. Rusland van zijn kant beweert dat het doel van elk eigen maanprogramma - voor wat het waard is, het raketbedrijf Energie onlangs begonnen brullende, Sovjet-stijl, dat het een permanente maanbasis tegen 2015-2020 – zal He3 extraheren.
Ook de Chinezen geloven blijkbaar dat helium-3 van de maan fusie-installaties op aarde mogelijk kan maken. De Volksrepubliek verwacht dit najaar een satelliet rond de maan te zullen draaien en daar in 2011 een onbemand voertuig te laten landen.
India is ook niet van plan om buiten te blijven. (Zie India's Space Ambitions Soar.) Afgelopen lente heeft de president, A.P.J. Kalam en zijn premier, Manmohan Singh, hielden belangrijke toespraken waarin ze beweerden dat, naast het bouwen van gigantische zonnecollectoren in een baan en op de maan, 's werelds grootste democratie ook van plan is He3 van het maanoppervlak te ontginnen. India's sonde, Chandrayaan-1 , zal volgend jaar opstijgen, en ISRO, de Indiase organisatie voor ruimteonderzoek, heeft het over verzenden Chandrayaan-2 , een oppervlakterover, in 2010 of 2011. Tegelijkertijd maken Japan en Duitsland ook geluiden over het lanceren van hun eigen maanmissies rond die tijd, en praten ze over de mogelijkheid om He3 te ontginnen en terug te brengen om op kernfusie gebaseerde kernreactoren op Aarde.
Zou He3 van de maan echt een haalbare oplossing kunnen zijn voor onze stroombehoeften op aarde? Praktische kernfusie zal tegenwoordig naar verwachting vijf decennia verwijderd zijn - dezelfde voorspelling die werd gedaan op de Atoms for Peace-conferentie in 1958 in Brussel. Als de aankomstdatum van fusie-energie sinds 1958 constant 50 jaar verwijderd is, waarom zou helium-3 dan ineens fusie-energie haalbaarder maken?
Voorstanders van op He3 gebaseerde fusie wijzen op het feit dat de huidige inspanningen om op fusie gebaseerde energieopwekking te ontwikkelen, zoals de ITER megaproject, gebruik de deuterium-tritium-brandstofcyclus, wat problematisch is. (Zie International Fusion Research .) Deuterium en tritium zijn beide waterstofisotopen, en wanneer ze worden gefuseerd in een oververhit plasma, komen twee kernen samen om een heliumkern te creëren - bestaande uit twee protonen en twee neutronen - en een hoogenergetisch neutron . Bij een deuterium-tritiumfusiereactie komt 80 procent van zijn energie vrij in een stroom hoogenergetische neutronen, die zeer destructief zijn voor alles wat ze raken, inclusief het insluitingsvat van een reactor. Omdat tritium zeer radioactief is, is insluiting een groot probleem omdat structuren verzwakken en moeten worden vervangen. Dus alle materialen die in een deuterium-tritiumfusiecentrale worden gebruikt, zullen zware bestraffing moeten ondergaan. En als dat haalbaar is, als die fusiereactor uiteindelijk wordt ontmanteld, zal er nog steeds veel radioactief afval zijn.
Voorstanders van helium-3 beweren dat het daarentegen niet-radioactief zou zijn, waardoor al die problemen zouden worden vermeden. Maar een serieuze criticus heeft beweerd dat op He3 gebaseerde fusie in werkelijkheid niet eens een haalbare optie is. In het augustusnummer van Natuurkunde Wereld , heeft theoretisch fysicus Frank Close, in Oxford in het VK, een artikel gepubliceerd met de naam: Angst voor feiten waarin hij onder andere enkele beweringen van de heliumliefhebbers samenvat en die beweringen vervolgens afwijst als in wezen fantasie.
Close wijst erop dat in een tokamak - een machine die een donutvormig magnetisch veld genereert om de oververhitte plasma's die nodig zijn voor fusie op te sluiten - deuterium tot 100 keer langzamer reageert met helium-3 dan met tritium. In een plasma in een tokamak, benadrukt Close, worden alle kernen in de brandstof met elkaar vermengd, dus wat het meest waarschijnlijk is, is dat twee deuteriumkernen snel zullen samensmelten en een tritiumkern en proton zullen produceren. Dat tritium zal op zijn beurt waarschijnlijk versmelten met deuterium en uiteindelijk één helium-4-atoom en een neutron opleveren. In het kort, zegt Close, als helium-3 van de maan wordt gewonnen en naar de aarde wordt gebracht, zal het uiteindelijke resultaat in een standaard tokamak nog steeds deuterium-tritiumfusie zijn.
Ten tweede verwerpt Close de bewering dat twee helium-3-kernen realistisch gezien zouden kunnen worden gemaakt om met elkaar te fuseren om deuterium, een alfadeeltje en energie te produceren. Die reactie vindt zelfs langzamer plaats dan deuterium-tritiumfusie, en de brandstof zou moeten worden verwarmd tot onpraktisch hoge temperaturen - zes keer de hitte van het binnenste van de zon, volgens sommige berekeningen - die buiten het bereik van elke tokamak zou zijn. Daarom, concludeert Close, is het maan-helium-3-verhaal, naar mijn mening, maneschijn.
Closes bezwaar gaat er echter van uit dat deuterium-helium-3-fusie en pure helium-3-fusie zouden plaatsvinden in op tokamak gebaseerde reactoren. Er kunnen alternatieven zijn: bijv. Gerald Kulcinski , een professor in nucleaire technologie aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, heeft de enige helium-3-fusiereactor ter wereld onderhouden met een jaarlijks budget van amper zes cijfers.
De op He3-gebaseerde fusiereactor van Kulcinski, die zich in het Fusion Technology Institute van de Universiteit van Wisconsin bevindt, is erg klein. Tijdens het rennen bevat het een bolvormig plasma van ongeveer 10 centimeter in diameter dat duurzame fusie kan produceren met 200 miljoen reacties per seconde. Om een milliwatt aan vermogen te produceren, verbruikt de reactor helaas een kilowatt. Het antwoord van Close is daarom geldig genoeg: wanneer praktische fusie plaatsvindt met een aangetoond nettovermogen, kunnen ik - en de fusiegemeenschap van de wereld - er nota van nemen.
Toch is die kritiek evenzeer van toepassing op ITER en de op tokamak gebaseerde reactorinspanning, die ook nog niet break-even heeft bereikt (het punt waarop een fusiereactor evenveel energie produceert als verbruikt). Wat belangrijk is aan de reactor in Wisconsin is dat, zoals Kulcinski zegt, we zowel deuterium-He3- als He3-He3-reacties uitvoeren. We voeren dagelijks deuterium-He3-fusiereacties uit, dus we kennen die reactie heel goed. We doen ook He3-He3, want als we dat kunnen beheersen, zal het een enorm potentieel hebben.
De reactor van het Fusion Technology Institute maakt gebruik van een technologie genaamd inertiële elektrostatische opsluiting (IEC). Kulcinski legt uit: Als we een tokamak zouden gebruiken om deuterium-helium-3 te maken, zou het groter moeten zijn dan het ITER-apparaat, dat al de grenzen van geloofwaardigheid verlegt. Onze IEC-apparaten daarentegen zijn van tafelformaat en tijdens onze deuterium-He3-runs krijgen we enkele neutronen die worden geproduceerd door nevenreacties met deuterium. Niettemin, vervolgt Kulcinski, wanneer nevenreacties optreden waarbij twee deuteriumkernen samensmelten om een tritiumkern en proton te produceren, is het geproduceerde tritium op zo'n hoger energieniveau dan het opsluitingssysteem dat het onmiddellijk ontsnapt. Bijgevolg is de radioactiviteit in ons deuterium-He3-systeem slechts 2 procent van de radioactiviteit in een deuterium-tritiumsysteem.
Belangrijker is de He3-He3-fusiereactie die Kulcinski en zijn assistenten produceren met hun op IEC gebaseerde reactor. In de reactor van Kulcinski fuseren twee helium-3-kernen, elk met twee protonen en één neutron, in plaats daarvan om één helium-4-kern te produceren, bestaande uit twee protonen en twee neutronen, en twee zeer energetische protonen.
He3-He3 is geen gemakkelijke reactie om te promoten, zegt Kulcinski. Maar He3-He3-fusie heeft het grootste potentieel. Dat komt omdat helium-3, in tegenstelling tot tritium, niet-radioactief is, wat ten eerste betekent dat de reactor van Kulcinski niet het enorme insluitingsvat nodig heeft dat deuterium-tritiumfusie vereist. Ten tweede zijn de protonen die het produceert - in tegenstelling tot de neutronen die worden geproduceerd door deuterium-tritiumreacties - geladen en kunnen ze worden ingesloten met behulp van elektrische en magnetische velden, wat op zijn beurt resulteert in directe elektriciteitsopwekking. Kulcinski zegt dat een van zijn afgestudeerde assistenten aan het Fusion Technology Institute werkt aan een solid-state apparaat om de protonen op te vangen en hun energie direct om te zetten in elektriciteit.
Toch bewijst de reactor van Kulcinski alleen de theoretische haalbaarheid en voordelen van He3-He3-fusie, met een commerciële levensvatbaarheid die tientallen jaren in de toekomst ligt. Op dit moment, zegt hij, zal het ministerie van Energie ons vertellen: 'We zullen fusie laten werken. Maar je gaat nooit meer terug naar de maan, en dat is de enige manier om enorme hoeveelheden helium-3 te krijgen. Dus vergeet het maar.' Ondertussen vertellen de NASA-mensen ons: 'We kunnen de helium-3 krijgen. Maar je krijgt fusie nooit aan het werk.' Dus DOE denkt niet dat NASA zijn werk kan doen, NASA denkt niet dat DOE zijn werk kan doen, en we proberen de twee samen te laten werken. Op dit moment komt de financiering van Kulcinski van twee rijke individuen die, zegt hij, alleen geïnteresseerd zijn in het onderzoek en zonder financiële winst te verwachten.
Over het algemeen is helium-3 dus niet het laaghangende fruit onder potentiële brandstoffen om praktische fusiekracht te creëren, en het is er een die we naar de maan zullen moeten bereiken om te plukken. Dat gezegd hebbende, als pure op He3 gebaseerde fusiekracht realiseerbaar is, zou dit enorme voordelen hebben.