ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 412, № 3, с. 388-390
ГЕОХИМИЯ
УДК 523.3: 550.4
Не-3 В ЛУННОМ ГРУНТЕ ПО ГЛУБИНЕ КОЛОНКИ, ОТОБРАННОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАНЦИЕЙ ЛУНА-24
© 2007 г. Академик Э. М. Галимов, Г. С. Ануфриев
Поступило 14.07.2006 г.
Как известно, термоядерная реакция с использованием 3Не обладает высокой эффективностью и уникальна с экологической точки зрения. Реакция D + 3Не = 4Не (3, 67 МэВ) + р (14, 68 МэВ) протекает с выходом протонов в отличие от реакций деления, а также термоядерного синтеза с участием дейтерия и трития ф + Т), которые сопровождаются выходом нейтронов. Нейтронный поток приводит к наведенной радиоактивности в конструкционных материалах, их радиационному повреждению и необходимости захоронения в больших объемах радиоактивных отходов. Протоны, будучи заряженными частицами, не проникают в глубь окружающих материалов и не наводят радиоактивности (за исключением относительно слабого влияния побочной реакции D + D). Таким образом, радикально снижается опасность радиоактивного загрязнения среды и устраняется проблема накопления радиоактивных отходов. Выход большей части термоядерной энергии в виде протонов существенно облегчает инженерные решения утилизации энергии.
3Не на Земле отсутствует в количествах, необходимых для создания базирующейся на нем термоядерной энергетики. Практически неисчерпаемые запасы 3Не имеются на Луне. В случае успеха в реализации термоядерного синтеза на 3Не с получением энергии в промышленных масштабах необходимо будет развернуть на Луне горнодобывающую промышленность, обеспечивающую добычу и транспортировку на Землю 3Не. Предполагается, что проблема эта может стать актуальной в ближайшие десятилетия [1-3].
В связи с этим появляется интерес к инвентаризации наших знаний по лунному 3Не, а также к планированию и организации соответствующих исследовательских и разведочных работ.
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской Академии наук, Москва Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской Академии наук, Санкт-Петербург
В данном сообщении мы предлагаем новые результаты, полученные при измерении изотопного состава гелия (3Не/4Не) и содержания гелия в лунном реголите, доставленном автоматической станцией Луна-24 в 1976 г.
Грунт был отобран в юго-восточной части Моря Кризисов (рис. 1). Координаты места посадки: 12°45' с.ш. и 62°12' в.д. [4]. Море Кризисов - это гигантская депрессия с отчетливым кольцевым строением, диаметром около 500 км, образовавшаяся при ударе крупного тела и заполненная излияниями базальтовых лав. Материковое обрамление Моря Кризисов представлено породами анортозит-норит-троктолитовой серии. В окрестностях места посадки станции Луна-24 Море Кризисов представляет собой усеянную кратерами базальтовую равнину, слабо наклоненную к северо-западу. Место посадки находится в 18 км к востоку от кратера Фаренгейт диаметром 6.2 км и примерно в 40 км к западу от границы материкового обрамления.
Грунт был отобран в виде колонки реголита длиной около 2 м. Бурение проводилось до глубины 225 см от поверхности. Результаты выполненного нами анализа приведены в табл. 1.
Гелий выделялся из фракции <80 мкм в предварительно обезгаженном при температуре 1200°С реакторе. Остаточный фон составлял по 4Не ~ 10-9 см3 и по 3Не ~ 10-13 см3. Затем в откаченный реактор вводили образец лунной пробы и выдерживали в течение 10 мин при этой температуре. Выделенный гелий очищали от сопутствующих газов и вводили в масс-спектрометр.
Таблица 1. Изотопный состав гелия и содержание 3Не в лунном реголите из колонки, отобранной автоматической станцией Луна-24
Глубина отбора, см 3Не, ррЬ 3Не/4Не ■ 104
72 1.3 3.03
92 1.2 3.03
130 1.4 3.11
160 1.6 2.89
192 0.8 2.84
Не-3 В ЛУННОМ ГРУНТЕ ПО ГЛУБИНЕ КОЛОНКИ
389
Рис. 1. Место посадки автоматической станции Луна-24.
Изотопный анализ 3Не/4Не производился при помощи резонансного масс-спектрометра высокого разрешения (МРМС) Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН. Высокое разрешение позволяло отделять пик 3Не от мульти-плетных пиков Н3 и HD с тем же массовым числом. Чувствительность масс-спектрометра по 3Не составляла ~3 ■ 10-13 см3. Измерения проводили по схеме: эталон-проба в двухлучевом режиме.
Несмотря на ясно выраженную слоистость, химический состав реголита по всей колонке практически одинаков. Петрологически это тип высокоглиноземистых (А1203 до 19%), низкотитанистых (ТЮ2 около 1%) базальтов, с повышенным содержанием железа ^е0 16-20%).
Подсчеты кратеров на площади вокруг места посадки станции Луна-24, соответствующие участку выходов базальтов Свифта, позволяют оценить их возраст приблизительно в 3.5 ■ 109 лет [5]. Определение возраста кристаллизации кусочка габбро из состава реголита Луны-24 дало величину 3.3 ± 0.05 млрд. лет [6]. Относительно низкое соотношение агглютинатов и зерен первичных
магматических пород в реголите Луна-24 указывает на невысокую степень его зрелости. Частички пород представлены в основном габбро, мелкозернистым базальтом и долеритами. Частички пород материкового происхождения составляют не более 1-3%.
В описании колонки реголита Луны-24 имеется указание на уменьшение содержания агглютинатов, т.е. уменьшение влияния экзогенных процессов с глубиной. Однако в содержании 3Не это не находит отражения.
Из раннее полученных данных [7] по составу Не в реголите Луны-24 следует, что характерные для солнечного ветра величины 3Не/4Не ~ (3.84.8) ■ 10-4 имеют место только в тонкозернистом реголите (фракция <74 мкм). В более крупнозернистых фракциях содержание Не падает на порядок, а соотношение 3Не/4Не возрастает, что, очевидно, свидетельствует о том, что в этой фракции преобладает космогенный гелий.
Газы солнечного ветра имплантированы в тонком слое (~0.2 мкм) на поверхности зерен реголита. Отсюда обратная зависимость их содержания
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 412 < 3 2007
390
ГАЛИМОВ, АНУФРИЕВ
от размерности фракции реголита. Поэтому представительной для содержания гелия фракцией следует считать фракцию <50 мкм. Изотопный состав захваченного лунного гелия 4Не/3Не близок к 2600.
Измеренные значения содержания 3Не в реголите меньше, чем опубликованные ранее для Лу-ны-24 [7]. Это, вероятно, связано с частичной потерей гелия в течение длительного (30 лет) периода их хранения.
В образце реголита, доставленного аппаратом Луна-16 из Моря Изобилия, содержание гелия в грунте определено как (17-19.5) ■ 10-2 см3/г, а изотопный состав 4Не/3Не ~ 3.8 ■ 10-4 [8]. Содержание 3Не отсюда составляет 8.6-9.8 ррЬ. Грунт из Моря Изобилия представлен высокотитанистым базальтом.
В грунте Луна-20, отобранном в материковой части Луны между Морем Кризисов и Морем Изобилия, содержание гелия во фракции <44 мкм составило 3.81 ■ 10-2 см3/г [9]. В пересчете на содержание захваченного 3Не это составляет 2.6 ррЬ. Максимальное содержание в тонкой фракции 4Не составило по данным [10] 4.7-8.3 ■ 10-2, т.е. приблизительно 3.3 до 5.9 ррЬ солнечного 3Не.
Данные по измерениям 3Не в образцах, доставленных миссиями Аполлон, суммированы в работе [2]. Сборный образец реголита массой 38.5 кг был отобран астронавтом Н. Армстронгом в экспедиции ЛроПо-11 из разных (более 20) участков на общей площади в 15 м2. Содержание 3Не в этом сборном образце составило в среднем 11.8 ррЬ при диапазоне вариаций в отдельных пробах от 9.22 до 17.9 ррЬ.
Концентрация 3Не, измеренная в 8 образцах реголитовой брекчии, отобранной в экспедиции АроПо-11 составляет в среднем 12.7 ррЬ при диапазоне вариаций от 4.38 до 18.2 ррЬ. Содержание ТЮ2 в пределах Моря Спокойствия и, в частности, в месте отбора образцов ЛроПо-11 оценивается в среднем величиной 7.5%.
В экспедициях Аполлон были взяты керны реголита на 21 участке во всех шести экспедициях, в которых состоялись работы на поверхности Луны. Длины большинства кернов от 10 до 40 см [11]. Два из них, отобранные в экспедициях Лро1-1о-15 и 16, имели длину 237 и 221 см соответственно, а самая длинная колонка глубиной 239 см была отобрана астронавтом-геологом X. Шмиттом в экспедиции Аполлон-17. В образцах, отобранных в экспедиции Аполлон-17, содержание 3Не составило от 9.9 до 14.3 ррЬ в тонкой фракции реголита (<20 мкм). Там же во фракции >200 мкм содержа-
ние 3Не составило всего 1.08-1.44 ppb. В реголитовой брекчии содержание 3Не во фракции <20 мкм составило 15.6-16.3 ppb, а во фракции >200 мкм 1.4 ppb.
Из полученных и имеющихся данных следует, что в районах развития высокотитанистых базальтов, в целом характерных для Луны, содержание 3Не составляет 10-20 ppb (районы посадки станции Луна-16 и экспедиции Аполлон). В материковых районах Луны, а также районах распространения низкотитанистых базальтов (районы посадки станции Луна-20 и Луна-24 соответственно) содержание 3Не в реголите составляет 0.5-2 ppb. В среднем для Луны содержание 3Не в верхнем слое реголита составляет, по-видимому, около 4 ppb.
Содержание 3Не в тонкой фракции (<50 мкм) на порядок выше, чем в субмиллиметровой фракции (>200 мкм).
Таким образом, поисковые работы на 3Не должны быть сосредоточены в первую очередь в районах развития высокотитанистых базальтов, со зрелым реголитом, имеющим высокое содержание тонкой фракции <50 мкм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wittenberg L.J, Santarius J.F., Kulcinski GL. // Fusion Technol. 1986. V. 10. P. 167.
2. Schmitt H.H. Return to the Moon. N.Y.: Copernicus Books, 2006. P. 335.
3. Галимов Э.М. // Вестн. РАН. 2004. Т. 74. № 12. С. 1059-1081.
4. Флоренский К.П., Пронин A.A., Базилевский АЛ. В сб.: Лунный грунт из Моря Кризисов. М.: Наука, 1980. С. 7-18.
5. Boyce J.M., Shaker G, Dial A. // Nature. 1977. V. 265. P. 38-39.
6. Вассербург Дж, Папанастасиу ДА, Мак-Кал-лок МЛ. и др. В сб.: Лунный грунт из Моря Кризисов. М.: Наука, 1980. С. 219-230.
7. Задорожный ПК, Иванов А.В. В сб.: Лунный грунт из Моря Кризисов. М.: Наука, 1980. С. 287299.
8. Ануфриев Г.С, Болтенков Б.С., Гартманов В Н. и др. // Геохимия. 1977. № 8. С. 1129-1135.
9. Хейман Д., Лакатос С., Валтон Дж.Р. В сб.: Грунт материкового района Луны. М.: Наука, 1979. С. 557-565.
10. Виноградов А.П., Задорожный И.К. В сб.: Гр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.