Abstract
Nu de fossiele brandstoffen opraken en de wereldwijde vraag naar energie toeneemt, is de behoefte aan alternatieve energiebronnen duidelijk. Kernfusie met behulp van Helium-3 kan een oplossing zijn. Helium-3 is een zeldzame isotoop op aarde, maar het is overvloedig aanwezig op de maan. In de ruimtevaartgemeenschap wordt maanhelium-3 vaak genoemd als een belangrijke reden om terug te keren naar de maan. Ondanks het potentieel van Helium-3 mijnbouw op de Maan is er nog maar weinig onderzoek gedaan naar een volledige end-to-end missie. In dit abstract worden de resultaten gepresenteerd van een haalbaarheidsstudie die is uitgevoerd door studenten van de Technische Universiteit Delft. Het doel van de studie was om te beoordelen of een continue end-to-end missie om Helium-3 op de Maan te winnen en terug te brengen naar de Aarde een levensvatbare optie is voor de toekomstige energiemarkt. De gestelde eisen voor de representatieve end-to-end missie waren om te voorzien in 10% van de wereldwijde energiebehoefte in het jaar 2040. De missie-elementen zijn geselecteerd op basis van verschillende afwegingen tussen zowel conservatieve als nieuwe concepten. Een missie-architectuur met meerdere losgekoppelde elementen voor elk transportsegment (LEO, transfer, maanoppervlak) bleek de beste optie te zijn. Het meest kritieke element bleek de maanontginning zelf te zijn. Om in 2040 in 10% van de mondiale energiebehoefte te voorzien, zou 200 ton helium-3 per jaar nodig zijn. De daaruit voortvloeiende ontginningssnelheid zou 630 ton per seconde bedragen, uitgaande van een optimistische concentratie van 20 ppb Helium-3 in het maanregolith. Er zouden 1.700 tot 2.000 Helium-3 mijnvoertuigen nodig zijn, indien gebruik wordt gemaakt van de Mark III mijnwerker van de Universiteit van Wisconsin. De vereiste verwarmingscapaciteit, als zowel overdag als ’s nachts wordt gedolven, zou in totaal 39 GW bedragen. De resulterende massa van het energiesysteem voor de maanoperaties zou in de orde van 60.000 tot 200.000 ton liggen. Er zou een vloot van drie maanvoertuigen nodig zijn voor het opstijgen en afdalen van de maan en 22 voertuigen met continue stuwkracht voor het verplaatsen van de baan. De kosten van de missie-elementen zijn gespreid over de verwachte levensduur. De resulterende opbrengsten van Helium-3-fusie werden berekend met gebruikmaking van een voorspelde minimumenergieprijs in 2040 van 30,4 euro/MWh. De jaarlijkse kosten liggen tussen 427,7 en 1.347,9 miljard euro, terwijl de verwachte jaarlijkse winst varieert van -724,0 tot 260,0 miljard euro. Gezien de grote schaal van de missie is deze ook geëvalueerd voor het voorzien in 0,1% en 1% van de wereldwijde energievraag in 2040. Voor 1% bedragen de jaarlijkse kosten 45,6 tot 140,3 miljard euro en de verwachte jaarlijkse winst -78,0 tot 23,1 miljard euro. Voor 0,1% bedragen de jaarlijkse kosten 7,7 tot 20,5 miljard euro. De verwachte jaarlijkse winst bedraagt -14,3 tot -0,8 miljard euro. De haalbaarheid is op drie aspecten onderzocht. Technisch gezien is de missie uiterst uitdagend en complex. De meeste vereiste technologieën bestaan echter of kunnen binnen een redelijke termijn worden ontwikkeld. Vanuit politiek en juridisch oogpunt bieden de huidige internationale verdragen nauwelijks een kader voor een mijnbouwoperatie op de maan. Financieel levert de missie alleen in het beste geval een nettowinst op, en dan nog alleen voor middelgrote tot grootschalige operaties, waarvoor een zeer grote initiële investering nodig is. Om het gebruik van Helium-3 op de maan mogelijk te maken, moet verder onderzoek worden toegespitst op de mijnexploitatie en de kosten van fusie-installaties, aangezien de impact daarvan ver uitstijgt boven alle andere missie-elementen. Verschillende transportconcepten kunnen niettemin worden onderzocht. Veel – niet alleen technische – uitdagingen met betrekking tot Helium-3-mijnbouw moeten nog worden aangepakt. Hoewel slechts een beginpunt voor verder onderzoek, toont deze studie aan dat, ondanks populaire beweringen, helium-3 op de maan ongeschikt is om te voorzien in een aanzienlijk percentage van de wereldwijde energiebehoefte in 2040.