Добыча гелия-3 на Луне как альтернатива добычи нефти на Земле.Машина для добычи гелия-3, созданная в 3D-программе

муниципальное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования детей
центр детского (юношеского) научно-технического творчества

Добыча гелия-3 на Луне  как альтернатива добычи нефти на Земле.
Машина для добычи гелия-3, созданная в 3D-программе 

Объединение: «Информатика и компьютерные технологии»
Авторы работы:
Шишкин Степан
Дудинова Елена
Руководитель:
педагог дополнительного образования
Димидова Ольга Викторовна

Армавир,2014 год

Мы провели поиск и анализ различных видов источников энергии  и пришли к выводу, что наибольшее количество энергии можно получить из гелия-3. 

Поэтому, наша научно-фантастическая работа «Добыча гелия-3 на Луне как альтернатива добычи нефти на Земле» является  актуальной  и интересной.

Наименее затратно получить гелий-3 можно на Луне, где из реголита выпаривается гелий-3 в специальной машине, спроектированной и построенной именно для этих целей, так как на Земле – это очень трудоемкий и дорогостоящий процесс, вследствие того, что на Земле гелия-3 очень мало.

Теоретически мы придумали и создали  модель такой машины в программе по созданию трехмерных изображений и их анимации 3Ds Max.

Лунный реголит

На той стороне, которая повёрнута к Земле, кора более тонкая. Не имеющая ни атмосферы, ни магнитного поля, поверхность Луны подвержена непосредственному воздействию солнечного ветра. В течение 4 млрд лет водородные ионы из солнечного ветра внедрялись в реголит Луны. Таким образом, образцы реголита, доставленные миссиями «Аполлон», оказались очень ценными для исследования солнечного ветра. Этот лунный водород также может быть когда-нибудь использован как ракетное топливо.

Реголит — лунный грунт. Неслоистый, рыхлый, разнозернистый обломочно-пылевой слой, достигающий толщины нескольких десятков метров. Состоит из обломков изверженных пород, минералов, стекла, метеоритов и брекчий ударно-взрывного происхождения, сцементированных стеклом. По гранулометрическому составу относится к пылеватым пескам (основная масса частиц имеет размер 0,03-1 мм). Цвет темно-серый, до черного с включениями крупных частиц, имеющих зеркальный блеск. Частицы грунта обладают высокой слипаемостью из-за отсутствия окисной пленки на их поверхности и высокой электризации. Кроме того, лунная пыль легко поднимается вверх от ударных воздействий и хорошо прилипает к поверхности твердых тел, что доставляло много неудобств участникам экспедиций «Аполлон».

Название «реголит» чаще всего применяется по отношению к лунному грунту, однако этот термин применим и к материалам, покрывающим и поверхности других небольших безатмосферных планет и спутников (например, Меркурия, Деймоса), а также астероидов.

Реголит возникает в результате дробления, перемешивания и спекания лунных пород при падениях метеоритов и микрометеоритов в условиях вакуума и ничем не ослабленного космического излучения.

Вследствие воздействия излучения и солнечного ветра реголит насыщен нейтральными газами.

По радиоизотопам было установлено, что некоторые обломки на поверхности реголита находились на одном и том же месте десятки и сотни миллионов лет.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

Гелий-3

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце. На Земле гелия-3 по не вполне ясным причинам очень мало – суммарные запасы оцениваются в 4000 тонн (содержание гелия-3 в атмосферном гелии очень низко, и в гелии, получаемом из природного газа, не превосходит 2*10-6 от He4). В принципе не исключено, что значительные количества гелия-3  содержатся в мантии, однако доступ на глубины в десятки и сотни километров как сейчас, так и в обозримом будущем, представляется практически невозможным[7]. На Земле его производят на радиохимических предприятиях в количествах, исчисляемых тысячами литров в год: так, промышленное производство гелия-3 составило около 18 тысяч литров в 2010 году при стоимости порядка 2150 долларов за литр.

В результате, этого ценного вещества там находится до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн). При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет ~1 г на 100 т. Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать не менее 100 млн тонн грунта[1].

Гелий-3 — более лёгкий из двух стабильных изотопов гелия[5].

К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в миллиард градусов, чтобы она могла начаться.

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников, а создаётся искусственно, при распаде трития. Последний производился для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах.

Машина по добыче гелия-3

Для добычи гелия-3 мы придумали машину и спроектировали ее в 3-хмерной программе. Мы предположили, что данная система выполнена из титана, она предназначена для добычи реголита. Мы проанализировали свойства различных металлов и сделали вывод, что для изготовлении корпуса и отдельных деталей наиболее подходит титан, т.к. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

Грунт через конвейер, встроенный внутрь, попадает в специальную чашу.

Из 1 тонны реголита  можно получить 0,01 г гелия. При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 миллионов тонн нефти.

На Земле уже существуют заводы по переработке гелия-3  в топливо. Такие разработки вели сразу несколько стран: Россия, США, Китай. Как нам стало известно, США уже в следующем году планирует начать строительство станции по добыче гелия-3 на Луне.

Вся работа по созданию модели лунной машины выполнена в 3Ds Max. Создание машины условно можно разделить на n частей. Первая наиболее важная часть – это пункт управления, который находится в верхнем отделе, рассматриваемой модели. Блок управления представляет собой кабину с автоматизированным дистанционно – управляемым компьютером. Объект создан с помощью различных систем инструментов. Первый инструмент называется NURBS (Non-uniform rational B-spline) – моделирование, так называемое «умное» сплайновое создание модели. Сплайн – это направляющая линия, по которой строится поверхность, и видоизменяется в нужном нам направлении. Таким образом, с помощью NURBS мы получили один сегмент этого отсека, затем использовался инструмент Массив, который позволяет продублировать объект под нужным углом во всех трех измерениях. После чего была использована одна из Булевых (логических) операций Сложение, позволяющая объединить  созданные массивом элементы в единое целое.

Заключительным этапом разработки модели является рендеринг (вывод картинки или анимации в привычные нам форматы).

Заключение

Мы провели поиск и анализ различных видов источников энергии  и пришли к выводу, что наибольшее количество энергии можно получить из гелия-3.  Наименее затратно эту работу можно выполнить на Луне, где из реголита выпаривается гелий-3 в специальной машине, спроектированной и построенной именно для этих целей, так как на Земле – это очень трудоемкий и дорогостоящий процесс, вследствие того, что на Земле гелия-3 очень мало. Теоретически мы придумали и спроектировали  модель такой машины.

При проектировании отдельных узлов машины использовались разные технологии. Для передачи свойств металлических поверхностей  использовалась дополнительная программа, дополнительные плагины освещения и материалов  и очень сложная технология с применением модификатора UV Map. Кроме того,  мы создали небольшую анимацию по движению машины.

Мы надеемся, что нашим проектом заинтересуются Российские ученые, и он хотя бы частично будет использован в будущем Земли и Луны.

Список литературы проекта

1.           http://newsland.com/news

2.           http://planetarium-kharkov.org/files/issledovanija...

3.           http://www.popmech.ru/article/3284-buduschee-nefty...

4.           http://ru.wikipedia.org

5.           http://znaniya-sila.narod.ru/live

6.           http://helium3.ru

7.           http://banana.by

8.           http://www.popmech.ru

9.           http://topwar.ru/24664-sokrovische-luny-geliy-3

10.       http://3dmir.com

11.       Мак-Фарланд И., Полевой Р. 3DS Max для профессионалов (+CD). – СПб.: Питер, 2002.

12.       3DS Max 9 на 100%, Верстак В., СПб.: Питер, 2007