Abstract
Przy kończących się paliwach kopalnych i rosnącym globalnym zapotrzebowaniu na energię, potrzeba alternatywnych źródeł energii jest oczywista. Rozwiązaniem może być fuzja jądrowa z wykorzystaniem helu-3. Hel-3 jest rzadkim izotopem na Ziemi, ale jest go dużo na Księżycu. W środowisku kosmicznym księżycowy hel-3 jest często wymieniany jako główny powód powrotu na Księżyc. Pomimo potencjału księżycowego wydobycia helu-3, niewiele badań dotyczyło pełnej misji typu end-to-end. W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki studium wykonalności przeprowadzonego przez studentów z Uniwersytetu Technicznego w Delft. Celem studium była ocena, czy ciągła misja wydobycia helu-3 na Księżycu i zwrócenia go na Ziemię jest realną opcją dla przyszłego rynku energii. Założone wymagania dla reprezentatywnej misji end-to-end miały zapewnić 10% globalnego zapotrzebowania na energię w roku 2040. Elementy misji zostały wybrane z uwzględnieniem wielu kompromisów pomiędzy konserwatywnymi i nowatorskimi koncepcjami. Architektura misji z wieloma odłączonymi elementami dla każdego segmentu transportu (LEO, transfer, powierzchnia Księżyca) została uznana za najlepszą opcję. Stwierdzono, że najbardziej krytycznym elementem jest sama operacja wydobycia księżycowego. Aby zaspokoić 10% globalnego zapotrzebowania na energię w 2040 roku, należałoby wydobywać 200 ton helu-3 rocznie. Wynikające z tego tempo wydobycia regolitu wynosiłoby 630 ton na sekundę, przy optymistycznym założeniu stężenia 20 ppb helu-3 w regolicie księżycowym. W przypadku użycia koparki Mark III Uniwersytetu Wisconsin potrzeba by było od 1700 do 2000 pojazdów do wydobywania helu-3. Wymagana moc grzewcza, w przypadku wydobycia zarówno w dzień jak i w nocy, wyniosłaby 39 GW. Masa systemu energetycznego dla operacji księżycowych wyniosłaby od 60 000 do 200 000 ton. Wymagana byłaby flota trzech pojazdów do wjazdu i zjazdu z Księżyca oraz 22 pojazdów o ciągu ciągłym do przenoszenia na orbitę. Koszty elementów misji zostały rozłożone na oczekiwane okresy eksploatacji. Wynikające z tego zyski z syntezy helu-3 obliczono przy założeniu, że przewidywana minimalna cena energii w 2040 r. wyniesie 30,4 euro/MWh. Roczne koszty wynoszą od 427,7 do 1 347,9 mld euro, a oczekiwany roczny zysk waha się od -724,0 do 260,0 mld euro. Ze względu na dużą skalę zadania, zostało ono również oszacowane dla zapewnienia 0,1% i 1% globalnego zapotrzebowania na energię w 2040 roku. W przypadku 1% roczne koszty wynoszą od 45,6 do 140,3 mld euro, a oczekiwane roczne zyski od -78,0 do 23,1 mld euro. Dla 0,1% roczne koszty wynoszą od 7,7 do 20,5 mld euro. Roczne oczekiwane zyski wynoszą od -14,3 do -0,8 mld euro. Wykonalność została rozpatrzona w trzech aspektach. Z technicznego punktu widzenia misja jest niezwykle trudna i złożona. Jednakże większość wymaganych technologii istnieje lub może zostać opracowana w rozsądnym okresie czasu. Z politycznego i prawnego punktu widzenia, obecne traktaty międzynarodowe nie zapewniają prawie żadnych ram dla operacji wydobywania Księżyca. Z finansowego punktu widzenia misja przynosi zysk netto tylko w najlepszym przypadku, i to tylko w przypadku operacji na średnią lub dużą skalę, które wymagają bardzo dużych nakładów początkowych. Aby umożliwić wykorzystanie księżycowego helu-3, dalsze badania powinny skupić się na operacji wydobywczej i kosztach elektrowni termojądrowych, gdyż ich wpływ zdecydowanie przewyższa wszystkie inne elementy misji. Można jednak zbadać różne koncepcje transportu. Wiele – nie tylko technicznych – wyzwań związanych z wydobyciem helu-3 wciąż czeka na rozwiązanie. Niniejsze opracowanie, choć stanowi jedynie punkt wyjścia do dalszych badań, pokazuje, że wbrew obiegowym opiniom księżycowy hel-3 nie nadaje się do zaspokojenia znacznego procentu globalnego zapotrzebowania na energię w 2040 roku.