科學家發現,一種古老且珍貴的氣體,正從地球內部釋放出來
十年前,巨石強森主演了一部輕鬆的奇幻片叫《地心歷險記》,帶觀眾開了回腦洞,在地心構建了一個美麗神奇的地下世界,那裡確實有滾燙的岩漿,但也有人類從未見過的生物。
《地心歷險記》裡描述了一個神秘的地心世界
但影視劇畢竟是影視劇,別看人類現在的科技能上天能下海,太空遨遊不是事,世界最深的海底也能去逛幾圈,但其實至今對地球的了解還知之甚少。
地球內部有沒有奇幻世界不知道,但科學家倒是發現有一種古老珍貴的氣體,源源不斷地從地球內部釋放出來。它不如《地心歷險記》中的鑽石那麼耀眼奪目,但它卻有着鑽石都不能比擬的價值,它就是氦-3。
地球內部的氦3價值很高
珍貴的氦-3
氦-3是氦氣的同位素氣體,性質穩定,無色無味,是一種極具潛力的清潔能源,是解決人類能源危機,改變能源結構的高效率燃料。
它能與氫的同位素發生核聚變反應,但過程中不產生中子,因此產生的放射性廢料少,安全環保又容易控制,是製造清潔核能的最佳原料之一。
它能與氫的同位素發生核聚變反應
人類在多次對月球的探測中發現,月球上月壤中的氦-3儲量非常多,據估算,整個月球的月壤能提供大約71.5萬噸的氦-3,比地球上已探明的氦-3儲量多得多。要是人類能從把月壤中氦-3帶回地球,提高清潔核能的開發便不是夢。
但是以目前的人類科技來說,在月球開採氦-3並運回來,費用高達3000億美元。因此,關於月壤開採項目,人類還在仔細地從長計議中。
人們發現月球上有大量的氦3
之前人類估計的地球氦-3儲量大概總共只有幾百公斤,真是少的可憐,但有人不相信,並且堅持認為地球上一定藏有大量的氦-3,只不過藏的比較深,在地核中。
來自美國新墨西哥大學的物理學家彼得.奧爾森就是該觀點的支持者,於是他帶領團隊展開了研究,結果證實了地球內部的確每年都在往外泄漏氦-3。
奧爾森形容了一下,每年的泄漏量大約是2000克,匯聚在一起的話,能充滿一隻普通桌子那麼大的氣球。奧爾森還表示,這不僅為人類提供了大量的資源,還提供了地球起源的線索。
奧爾森和其它研究人員發表的關於地球氦3變化的文章
那怎麼氦-3跟地球起源扯上關係了呢?
*地球起源問題
宇宙中的天體很多是氣體雲碰撞融合形成的,星團是這樣,恆星也是這樣。日本的研究人員曾經證實過這一點,報告發表在了2021年1月的《日本天文學會出版物》雜誌上。
在諸多的天體中,星雲的坍縮或凝結能形成恆星和行星,而星雲的主要成分首先是氫氣、其次就是氦氣。比如太陽的主要成分就是這兩樣,月球上有那麼多氦-3,也是這個道理。
星雲的主要成分是氫,其次是氦
同樣,地球中也會有大量的氦氣存在,只是隨着地殼的逐漸冷卻凝固,它們被「封印」在了地球內部。如果將來人類還能發現地核中也有氦氣,那麼地球起源於星雲就得到了進一步的證實。
因為氦氣是天然形成的,幾乎無法人工合成,即使靠氚的放射性衰變來製造氦氣,也很難,成本也很高。所以我們才說,從地球內部跑出來的氦-3氣體非常古老,而且珍貴。
目前有氦-3釋放最快的地方大多是火山地帶,火山就像地殼的裂口,時不時將地球內部的能量釋放一些出來。
氦-3釋放最快的地方大多是火山地帶
奧爾森提過,通過氦-3釋放研究地球起源的一項工作時,要看地核是不是也在釋放它,所以我們可以得知,現在檢測到地表泄漏的氦-3不知道有多少是來源於地幔,多少是來源於地核。
奧爾森曾和他的團隊做過實驗模擬地球形成的過程,他們發現,按宇宙大爆炸理論,爆炸後發生的各種天體相撞,讓剛形成不久的地球也受了傷,地幔再次熔化,原本鎖在地幔里的氦-3丟失了,但岩心足夠堅硬抵抗住了一部分撞擊,也鎖住了氦-3。
根據模擬,奧爾森認為,地核中應該還有一部分氦-3。
地球早期吸積過程獲得氦-3的過程(左),以及之後失去氦-3的過程(右)
而月球上的氦-3是怎麼來的呢?
奧爾森團隊認為,地球當時被小行星碰撞的時候,濺起了大量的物質,受太空中各種引力的牽引,它們漂浮在地球周圍,又經過長時間的變化和與其他氣體、塵埃等融合積累,就形成了月球。因此月壤中的氦-3其實還是來自於地球。
*地球的氦3耗盡了怎麼辦?
按照奧爾森計算的氦-3泄露量,可能要不了多久,地球內部的氦-3就耗盡了,如果到那一天,會對人類產生什麼影響嗎?
地球內部的氦-3說不定哪天就耗盡了
根據氦-3的應用領域來看,基本上拿來當燃料使用,大不了氦-3沒有了,核聚變我們用鈾235就行了,反正目前,全世界的鈾礦儲量都不算少。
但是在同樣質量下,氦-3聚變後釋放的能量是鈾235裂變釋放能量的12.5倍,最關鍵的是氦-3幾乎零污染,而鈾235有。
而且鈾235做核能源,如何控制它的核污染擴散是個複雜又困難的事情,在裂變中控制不好,還可能發生爆炸。
鈾235做核能源在裂變過程中存在爆炸隱患
所以,在同樣的通途中,能用氦-3,為什麼要選擇鈾235呢?
值得一提的是,除了在核能方面使用,氦-3體還有很多用處是鈾235替代不了的。氦-3屬惰性氣體,很穩定,飛艇要用到它,火箭燃料要用到它,甚至普通醫學上也要用到它。
我們平時去醫院做核磁共振掃描,這台機器上就得用到氦-3做冷卻劑,連超市的掃碼儀都得用到它。
核磁共振掃描儀器就需要用氦3做冷卻劑
每一種元素都有它不可替代的價值,氦-3應用前景高,儲量小,隨着它的不斷泄漏,將來市場上的賣價會越來越高。
而且從現在有能力探索月球的國家的表現來看,也知道氦-3有多麼搶手。但凡地球上能找到一種元素能替代它,我們都不會想着花高價去開採月壤。
畢竟除了開採成本很高之外,還需要先將月壤加熱到700度以上,這個過程需要耗費大量的氧氣,耗能高,速度慢,月球上沒有氧氣,所以無法做到。
開採的條件中有一條需要對月壤進行加熱
對此,也有俄羅斯科學家提出建議,稱人類可以每年發射2艘或者3艘能載重100噸的飛船上月球,挖一次月壤回來,全人類大概能用1年。
但這個想法說的真是輕巧,造這麼大的飛船技術難題如何攻克,成本又得花多少錢?還有送上去的技術和花費呢?
當然,我國中科院的研究團隊在嫦娥五號帶回月壤之後,用高分辨透射電鏡結合電子能量損失譜法,發現也許提取氦-3不再需要高溫了。
嫦娥五號帶回的月壤
那麼我們就靜待中科院再顯神威,助力我國將來的月壤開發,為我國創造更多的氦-3資源。-以管窺豹-