Viernes, 30 de octubre de 2009
COMBUSTIBLE DEL FUTURO - HELIO-3

El helio-3, He-3, o 3He es un isótopo ligero del elemento químico helio. Es estable y no es radiactivo. El helión, núcleo del átomo de helio-3, está constituido por dos protones y un sólo neutrón, en contraste con el helio ordinario (helio-4), que tiene dos neutrones.

El helio-3 es raro en la Tierra pero abundante en el universo; es muy buscado para usarlo en investigación en fusión nuclear. Procede del interior de las estrellas y lo produce el Sol. El viento solar lo transporta por el sistema solar. La atmósfera y el campo magnético de la Tierra lo rechazan. Se cree que puede encontrarse en abundancia en la superficie de la Luna, incrustado en la capa superior de regolito, acumulado allí por el viento solar durante millones de años como consecuencia de la ausencia de atmósfera en la luna. Puede encontrarse también en los gigantes gaseosos del Sistema Solar (restos de la nebulosa protosolar original).

Las reservas de la Luna en helio-3 se estiman en un millón de toneladas. En comparación, 25 toneladas de helio-3 serían suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de una población como los Estados Unidos o la Unión Europea durante un año. Este hecho es un estímulo grande para los entusiastas de la extracción y utilización de helio-3 de la Luna, pero todavía no está desarrollada la tecnología necesaria para su aprovechamiento.

El helio-3 se encuentra en la Tierra principalmente por quedar atrapado en el interior de la Tierra durante la formación del planeta. El helio-3 también se ha añadido a la Tierra mediante el polvo de los meteoritos que caen sobre la Tierra, mas frecuentemente sobre los océanos.

Además de aplicaciones en fusión nuclear, el helio-3 también se utiliza en instrumentación para investigar la dispersión de neutrones y como componente en detectores de neutrones. Sus propiedades criogénicas son importantes porque a temperaturas cercanas al cero absoluto se comporta como un superfluido.

Además de las aplicaciones en física, como el relativamente alto contenido de helio-3 es una de las características distintivas del manto terrestre, se utiliza en estudios de geoquímica isotópica, debido a la diferente relación entre el helio-3 y el helio-4 en el manto, la corteza y la atmosfera terrestre. El helio-3 es uno de los isótopos ambientales que se utilizan en investigaciones hidrológicas e hidrogeológicas.

El helio-3 se puede producir a partir de la desintegración radiactiva del tritio, que a su vez se produce por bombardeo con neutrones de blancos de litio, boro o nitrógeno.

De acuerdo a CODATA, la masa de un helión es 5,006 411 92(0) × 10–27 kg.

La sociedad está haciendo esfuerzos por mantenerse al día en las demandas de energía, las cuales se espera que aumenten multiplicadas por ocho para el año 2050 cuando la población mundial alcance la cifra de 12 mil millones de habitantes. La respuesta puede ser la Luna.

"La energía de la fusión del Helio 3 puede ser la clave de la exploración espacial futura y de colonizaciones", dijo Gerald Kulcinski, Director del Fusion Technology Institute (FTI) de la Universidad de Wisconsin en Madison.

Los científicos estiman que existen un millón de toneladas de helio 3 en la luna, energía suficiente para el mundo para miles de años. El equivalente de una carga simple del trasbordador espacial, que es de aproximadamente 25 toneladas, podría proveer toda la energía que los Estados Unidos requieren durante un año, según el astronauta de la Apolo 17 e investigador del FTI, Harrison Schmitt.

Cuando el viento solar, ese rápido flujo de partículas cargadas emitido por el sol, llega a la Luna, el helio 3 se deposita en el suelo polvoriento. A través de miles de millones de años se ha ido acumulando. Los bombardeos de los meteoritos dispersan las partículas por encima de varios metros de la superficie lunar.

"El Helio 3 podría ser la cosecha de dinero de la luna", dijo Kulcinski, un defensor y pionero en este campo, quien visualiza a la Luna convirtiéndose en "la tienda de la Bahia Hudson de la Tierra". Hoy día el helio 3 podría tener un valor de $4 mil millones la tonelada en términos de su equivalente en energía comparado con el petróleo, según él lo estima. "Cuando la Luna se vuelva independiente, tendrá algo que comerciar".
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La investigación sobre la fusión comenzó en 1951 en los Estados Unidos bajo los auspicios del ejército. Después de su desclasificación en 1957, los científicos comenzaron a buscar un candidato de fuente de energía que no produjese neutrones. Aunque Louie Alvarez y Robert Cornog descubrieron el helio 3 en 1939, sólo se sabía que existieran unos pocos cientos de kilos en la Tierra, la mayor parte como sub-producto de la producción de armamento nuclear.

Los astronautas del Apolo encontraron helio 3 en la luna en 1969, pero el enlace entre el isótopo y los recursos lunares no se realizó sino hasta 1986. "Les tomó 15 años a los geólogos lunares y a los pioneros de la fusión para toparse unos con otros", dijo Schmitt, el último astronauta en dejar pisadas sobre la Luna.

Para resolver las necesidades de energía a largo plazo, los proponentes sostienen que el helio 3 es una mejor apuesta que los combustibles nucleares de primera generación como el deuterio y el tritio (isótopos del hidrógeno), que están siendo actualmente probados a gran escala en reactores termonucleares de cámaras circulares. Estos procesos que por lo general utilizan fuertes campos magnéticos para dominar el tremendo calor, el gas cargado eléctricamente o el plasma que ocurre durante la fusión, han tenido un costo de miles de millones y han dado muy bajos resultados. El Reactor Experimental Termonuclear Internacional o ITER por sus siglas en inglés (International Thermonuclear Experimental Reactor), por ejemplo, no ha producido ni un solo vatio de electricidad por varios años. Claro aún están en fase de construcción muy avanzada pero no se espera que esté listo antes del 2014 y ya se llevan gastados mas de 10 mil millones de dólares.

"No tengo duda de que eventualmente funcione", dijo Kulcinski. "Pero tengo serias dudas de si llegará a ser una fuente de energía económica ya sea en la Tierra o en el espacio". Esto se debe a que los reactores que utilizan la fusión del deuterio y del tritio desprenden el 80 por ciento de su energía en la forma de neutrones radiactivos, que exponencialmente aumentan los costos de producción y de seguridad.

En contraste, la fusión del helio 3 produciría muy poca radioactividad residual. El helio 3, un isótopo del conocido helio utilizado para inflar globos y aeróstatos, tiene un núcleo con dos protones y un neutrón. Un reactor nuclear basado en la fusión del helio 3 y deuterio, que tiene un solo protón nuclear y un neutrón, produciría muy pocos neutrones - alrededor de un 1 por ciento del número de neutrones generados por la reacción del deuterio y tritio. "Podría construirse una planta de helio 3 con toda seguridad en medio de una gran ciudad", dijo Kulcinski.

La fusión del Helio 3 es igualmente ideal para proveer la energía de las naves espaciales y para los viajes interestelares. A la vez que ofrece el más alto desempeño del poder de fusión - "un sistema de propulsión clásico de Buck Rogers" - los cohetes de helio 3 requerirían de un menor escudo de protección radioactiva, aligerando la carga, dijo Robert Frisbee, un ingeniero de propulsión avanzada del Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Pasadena California.

Recientemente el equipo de Kulcinski ha reportado progresos para hacer posible la fusión del helio 3. Dentro de una cámara de laboratorio, los investigadores de Wisconsin han obtenido protones de un plasma de deuterio-helio 3 continuo a un nivel de 2.6 millones de reacciones por segundo. Eso es lo suficientemente rápido para producir energía de fusión pero no para generar electricidad. "Es una demostración del principio, pero dista mucho de producir electricidad o convertirlo en una fuente de energía", dijo Kulcinski.

Sin embargo por el momento, las cifras de extraer y transportar helio 3 de la luna son algo problemáticas. Aún si los científicos resolvieran la física de la fusión del helio 3, "sería económicamente inviable", aseveró Jim Benson, presidente de SpaceDev en Poway, California, quienes luchan por ser una de las primeras empresas comerciales en la exploración del espacio. "A menos que esté equivocado, tendríamos que devastar grandes superficies en la Luna".

Mientras que es cierto que para producir unas 70 toneladas de helio 3 necesitarían calentarse un millón de toneladas de suelo lunar a unos 800 grados Celsius para liberar el gas, los que presentan la propuesta dicen que la devastación de tiras de superficie de la luna, no es la meta. "Hay suficiente tan sólo en Mare Tranquilitatis para que dure por varios cientos de años", dijo Schmitt. La luna estaría a tiro de piedra de otras fuentes ricas en helio 3, como las atmósferas de Saturno y Urano.

Benson estuvo de acuerdo que la meta es encontrar fuentes de combustible en el espacio. Pero para él, el agua y no el helio 3 es la fuente ideal de combustible. Su meta personal es crear gasolineras en el espacio mediante el minado de asteroides en busca de agua. El agua puede ser electrolizada en combustible de hidrógeno u oxígeno, o utilizada directamente como un propelente mediante super-calentamiento con rayos solares. "El agua es más práctica y confiable a corto plazo", dijo.

Pero los de la propuesta sólo creen que el helio 3 puede pagarse por sí solo.

"El agua no es tan valiosa", dijo Schmitt. Además del helio, un proceso de minería produciría agua y oxígeno como sub-productos.

El gas helio-3, presente en grandes cantidades en el satélite, puede reemplazar el petróleo. Sus átomos tienen una arquitectura muy especial que los hace perfectos como combustible de las plantas de fusión nuclear, el mismo proceso que tiene lugar en el Sol.

En un solo segundo éste produce 100 millones de veces la misma cantidad de energía que la Tierra consume en un año. El helio-3 podría generar grandes cantidad de electricidad sin los problemas de radioactividad de un reactor nuclear tradicional. Es un material limpio y sin riesgo para la salud. La Luna tiene una buena cantidad".

Pero esto lo sabemos desde hace mucho tiempo: en 1977, la nave Apolo 17 trajo la muestra #75501. Trece años después, dos ingenieros de la Universidad de Wisconsin descubrieron que esa roca contenía pequeñas burbujas de un gas llamado helio-3, isótopo (o forma) del mismo gas de los globos de fiesta que los dispara hacia arriba. Un material exótico que prácticamente no existe en la Tierra.

Así, la respuesta a las enormes necesidades energéticas del planeta pueden descansar en el Laboratorio de Conservación Lunar, del Centro Espacial Johnson, en Houston, donde la NASA guarda las 842 libras de polvo y roca traídas de la Luna.

Gene Cernan, el último astronauta en pisar la Luna, se empeña hoy en que la raza humana regrese al satélite. La razón que da no es despreciable. "El helio-3 está en la Luna porque viene del Sol", explica.

"Es parte del viento solar. Se pega a cualquier cosa que toca. El campo magnético terrestre lo repele, pero en cambio la Luna es como un imán. Su superficie está literalmente cubierta con ese gas, metido entre burbujas en las rocas y en el fino polvo gris"

Gracias al helio-3, en unos 10 años su deseo podrá cumplirse. Nuevos pioneros se alistan para recoger el tesoro.

EEUU, Rusia, China y Japón trabajan para fabricar un cohete capaz de empujarnos hasta la Luna y regresar cargados de rocas. Es caro y difícil, pero no imposible, y la recompensa sería colosal: nada menos que librar al mundo de su dañina dependencia de los combustibles fósiles, que además no son ilimitados.

Se calcula una inversión de 5 mil millones de dólares, necesaria sólo para construir una versión moderna del monstruoso cohete Saturno V (el que empujó a Cernan y a todas las misiones Apolo), capaz de poner cargas de 100 toneladas sobre la superficie lunar (a razón de 1.500 dólares la libra).

Teniendo en cuenta que 220 libras de helio-3 tienen un valor de US141 millones, el gasto está justificado.

Además del cohete, habría que construir un reactor de fusión nuclear para procesar el helio-3, cosa que sólo se ha hecho en laboratorio. Los científicos creen que todavía pasarán unas dos a tres décadas antes de que un reactor esté listo.

D.J. Lawrence, físico del Laboratorio Nacional de Los Álamos, explicó que cuando el helio-3 se combina con deuterio (isótopo del hidrógeno) la fusión crea cantidades de energía verdaderamente asombrosas.

"El problema es que el proceso también crea temperaturas tan altas que derriten todos los contenedores hasta ahora creados.

Excavar tres cuartas partes de una milla cuadrada de superficie lunar a una profundidad de tres metros produciría unas 220 libras de helio-3, suficiente para darle energía a una ciudad durante un año.

Sólo 25 toneladas de roca transportadas en una nave hasta la Tierra serían suficientes para darle electricidad a EEUU durante un año.

La minería lunar tiene otras ventajas porque desarrollaría el acceso al espacio comercial a bajo costo. Negocios adicionales incluirían exploración y turismo planetario y observatorios astronómicos.

Los científicos de la NASA afirman que cuando se establezca la primera colonia lunar, quizá en unos 20 años, es posible que se asiente cerca del polo sur, cerca al ‘Pico de la Luz Eterna".

Está siempre al sol, por lo que se colocarían paneles solares en sus laderas para ser fuente constante de energía. Las colonias subsecuentes se colocarían en las planicies ricas en helio-3 e hidrógeno, que podría usarse como combustible para cohetes, y de ahí, a conquistar las cercanías del Sistema Solar.

Fdo. Cristobal Aguilar.


Publicado por cristobalaguilar @ 22:24  | Astronom?a
Comentarios (1)  | Enviar
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By cristobalaguilar at 2011-02-03
Comentarios
Publicado por Invitado
Domingo, 25 de diciembre de 2011 | 2:25
El artículo me parece muy interesante pero debería entrar un poco más en detalle. Hablar de como el He3 permite la fusión y el grado de radiactividad que esta reacción generaría. Saludos.
 
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