هلیوم-۳ معمولاً بهعنوان یک منبع قمری شناخته میشود؛ عنصری که در آینده ممکن است توسط فضانوردان از غبار ماه استخراج شود تا برای تأمین انرژی راکتورهای همجوشی یا خنکسازی ماشینهای کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، کشف این ایزوتوپ کمیاب در زیر جنگلها و تالابهای شمال ایالت مینهسوتا، بسیاری از دانشمندان را شگفتزده کرده است.
در پروژه «توپاز» نزدیک شهر بابیت، عملیات حفاری نشان داده که مقادیر قابل اندازهگیری و قابل استفادهای از هلیوم-۳ در گازهای بهدامافتاده در اعماق زمین وجود دارد.
آزمایشهای آزمایشگاهی غلظتی در حدود ۱۴٫۵ بخش در میلیارد را نشان میدهد؛ عددی که بهطور چشمگیری مشابه مقادیری است که در نمونههای مأموریتهای آپولو از سطح ماه اندازهگیری شده بود.
تحلیلهای گازی که تحت هدایت دکتر پیتر بری، ژئوشیمیدان مؤسسه اقیانوسشناسی وودز هول انجام شده، نشان میدهد مینهسوتا ممکن است میزبان یکی از غیرمنتظرهترین مخازن هلیوم-۳ کشفشده در جهان باشد.
هلیوم-۳؛ شکل نادری از هلیوم
اتمهای هلیوم در اشکال مختلفی به نام ایزوتوپ وجود دارند. ایزوتوپها تعداد پروتون یکسانی دارند اما تعداد نوترون آنها متفاوت است. همه آنها هلیوم محسوب میشوند، اما برخی سنگینتر از بقیه هستند.
هلیوم-۳ (³He) دارای دو پروتون و یک نوترون است، در حالی که هلیوم-۴ (⁴He) که بسیار رایجتر است، دو پروتون و دو نوترون دارد.
بخش عمده هلیوم-۳ زمینی از واپاشی تریتیوم در سلاحها و راکتورهای هستهای بهدست میآید. مقدار اندکی نیز بهصورت طبیعی در میدانهای گاز طبیعی به دام افتاده است.
در جو زمین، هلیوم-۳ تنها در مقادیر بسیار ناچیز وجود دارد؛ میزانی که چندین مرتبه بزرگی کمتر از گاز موجود در مخزن تازه کشفشده مینهسوتا است.
غلظتهای کوچک با تأثیرات بزرگ
ارزش این گاز کمیاب میتواند به حدود ۹ میلیون دلار برای هر پوند برسد. طبق تحلیلهای صنعتی، این قیمت هلیوم-۳ را بهمراتب ارزشمندتر از هلیوم معمولی میکند.
نهادهای دولتی ایالات متحده مصرف هلیوم-۳ را برای برنامههایی مانند آشکارسازهای نوترونی و سامانههای برودتی سهمیهبندی میکنند؛ حوزهای علمی که با دماهای بسیار پایین سروکار دارد.
از آنجا که هلیوم پروژه توپاز به ذخایر رو به پایان هستهای وابسته نیست، حتی بازیابی مقادیر محدود هلیوم-۳ در این منطقه میتواند بخشی از محدودیتهای بلندمدت عرضه را کاهش دهد.
«ما با افتخار این کشف چشمگیر هلیوم-۳ را اعلام میکنیم»، توماس آبراهام-جیمز، رئیس و مدیرعامل شرکت Pulsar Helium گفت.
آزمایش گازهای زیرزمینی
نمونههای گاز استخراجشده از چاه Jetstream 1 در آزمایشگاههایی در ایالتهای اوهایو و ماساچوست مورد بررسی قرار گرفت. هر دو آزمایشگاه درباره غلظتها و نسبتهای گازی به نتایج یکسانی رسیدند.
در میان گازهایی با محتوای هلیوم-۴ بین یک تا یازده درصد، نسبت هلیوم-۳ به هلیوم-۴ ثابت باقی ماند؛ موضوعی که نشاندهنده وجود یک منبع واحد است.
دانشمندان این رابطه را بهصورت نسبت هلیوم-۳ به هلیوم-۴ معادل حدود ۰٫۰۹ نسبت به هوا بیان میکنند؛ رقمی که بهطور قابل توجهی بالاتر از گازهای پوستهای معمول زمین است.
این نسبتها با استفاده از یک طیفسنج جرمی گازهای نجیب اندازهگیری شدهاند؛ ابزاری تخصصی که اتمهای گاز را بر اساس جرم آنها تفکیک میکند.
هلیومی که میلیاردها سال در سنگهای مینهسوتا محبوس بوده است
سنگبستر شمال مینهسوتا از پوستهای بسیار قدیمی و غنی از اورانیوم تشکیل شده که طی میلیاردها سال بهطور مداوم هلیوم تولید کرده است.
حرارت ناشی از اعماق زمین و گسلهای کهن پوسته، به آزاد شدن این هلیوم از دانههای معدنی کمک کرده و امکان مهاجرت آن به سمت بالا را فراهم میکند.
در پروژه توپاز، گاز غنی از نیتروژن نقش سیال حامل را ایفا میکند؛ بهگونهای که هلیوم را در خود حل کرده و بدون افزودن هیدروکربنهای سنگین کربنی، آن را به سمت بالا منتقل میکند.
لایههای متراکم سنگی در بالادست، بهعنوان یک سد عمل کرده و از نشت این مخلوط غنی از هلیوم جلوگیری میکنند؛ عاملی که باعث تجمع غلظتهای بالاتر شده است.
فناوریهایی که به هلیوم-۳ وابستهاند
هلیوم-۳ به دلیل توانایی بسیار بالا در جذب نوترونهای کند، نقش کلیدی در آشکارسازهای فوقحساس دارد؛ ابزارهایی که برای شناسایی مواد هستهای غیرقانونی و پایش راکتورهای تحقیقاتی استفاده میشوند.
در سامانههای برودتی، هلیوم-۳ با هلیوم-۴ ترکیب میشود تا دماهای بسیار پایین ایجاد شود؛ امری حیاتی برای رایانش کوانتومی که بر پایه فیزیک کوانتوم پردازش اطلاعات را انجام میدهد.
پژوهشگران همچنین در حال بررسی هلیوم-۳ بهعنوان سوختی بالقوه برای همجوشی هستهای هستند؛ واکنشی که در آن هستههای سبک با هم ترکیب شده و انرژی آزاد میکنند.
علاوه بر این، هلیوم-۳ در خنکسازی آزمایشهای تخصصی فیزیک ماده چگال و تأمین انرژی روشهای پیشرفته تصویربرداری نقش دارد؛ کاربردهایی که تأثیر این گاز را بسیار فراتر از حجم اندک آن نشان میدهد.
چالش جداسازی ایزوتوپهای هلیوم
دانشمندان تولید سالانه جهانی هلیوم-۳ را در حد دهها هزار لیتر برآورد میکنند؛ رقمی که بهمراتب کمتر از تقاضای پیشبینیشده آزمایشگاهها و رایانههای کوانتومی است.
جداسازی هلیوم-۳ از هلیوم-۴ در یک جریان گازی دشوار است، زیرا این دو ایزوتوپ رفتار شیمیایی یکسانی دارند مگر آنکه تا دماهای بسیار پایین سرد شوند.
مهندسان در حال آزمایش روشهایی مانند تقطیر برودتی و ستونهای جذب هستند. با این حال، تاکنون هیچ شرکتی تأسیساتی برای تولید هلیوم-۳ خالص از جریانهای گازی راهاندازی نکرده است.
شرکت Pulsar از دانشگاهها و شرکتهای فناوری دعوت کرده تا پروژه توپاز را بهعنوان یک بستر آزمایشی برای روشهای جداسازی در نظر بگیرند؛ رویکردی که میتواند مسیر دستیابی به جریان پایدار هلیوم-۳ را هموار کند.
مینهسوتا در برابر ریسکهای استخراج هلیوم
مینهسوتا تاکنون هرگز تولید تجاری نفت یا گاز طبیعی نداشته است. به همین دلیل، قانونگذاران این ایالت همزمان با آماده شدن شرکتها برای بهرهبرداری از مخزن توپاز، در حال تدوین مقررات جدید هستند.
ساکنان محلی و دولتهای قبیلهای نگرانیهایی درباره آبهای زیرزمینی، حیاتوحش و آلودگی صوتی مطرح کردهاند؛ در عین حال، فرصتهای شغلی و درآمدهای مالیاتی بالقوه نیز توجهها را به خود جلب کرده است.
برخی از اعضای جامعه محلی نگران کمبود تجربه مینهسوتا در زمینه چاههای گازی هستند و تأکید دارند که نهادهای نظارتی باید برنامههای حفاری، سوزاندن گاز و بازسازی محیط را با دقت بررسی کنند.
حامیان پروژه توپاز معتقدند این طرح میتواند راهی برای تأمین هلیوم بدون وابستگی به مناطق حساس سیاسی باشد و همچنین درآمد قابل توجهی برای شهرستانها ایجاد کند.
گامهای بعدی در پروژه توپاز
استارتاپهایی که قصد استخراج هلیوم-۳ از ماه را دارند، پیشتر قراردادهایی با شرکتهای سازنده یخچالهای رایانش کوانتومی و وزارت انرژی ایالات متحده امضا کردهاند.
«آنها به هلیوم-۳ بیشتری نیاز خواهند داشت؛ مقداری فراتر از آنچه در سیاره زمین در دسترس است»، گری لای، مدیر ارشد فناوری شرکت Interlune گفت.
برای شرکت Pulsar، مراحل بعدی شامل حفاری چاههای بیشتر و برآورد میزان هلیوم قابل بازیافت است. همچنین باید مشخص شود آیا فناوری جداسازی میتواند از نظر اقتصادی پروژهای سودآور را پشتیبانی کند یا خیر.
اگر تولید هلیوم مینهسوتا در مقیاس صنعتی امکانپذیر شود، این «سوخت بالقوه آینده» شاید بهجای خاک ماه، از دل جنگلها تأمین شود.
این مقاله بر اساس اطلاعات منتشرشده در بیانیه خبری شرکت Pulsar Helium Inc تهیه شده است.
اگر به فناوریهای آینده و منابع انرژی نوین علاقهمند هستید، این مقاله را با دیگران به اشتراک بگذارید یا دیدگاه خود را در بخش نظرات بنویسید.
