什么是氦

我們先簡單地了解一下：在地球自然界，存在著3He（He-3）和4He（He-4）兩種同位素。4He的原子核有2個質子和2個中子，稱為玻色子；而3He只有1個中子，稱為費米子。20世紀30年代末期，卡皮查發現4He的超流動性。朗道從理論上解釋了這種現象，他認為當溫度在絕對溫度2.17K時，4He原子發生玻色愛因斯坦凝聚，成為超流體，而像3He這樣的費米子即使在最低能量下也不能發生凝聚，所以不可能發生超流動現象。金屬的超導理論（BCS理論）的提出，使得人們認為在極低溫度下3He也可能會形成超流體。但是人們一直未能在實驗上發現3He的超流動性。20世紀70年代，戴維·李領導的康奈爾低溫小組首次發現了3He的超流動性，不久，其他的研究小組也證實了他們的發現。

3He超流體的發現在天體物理學上有著奇特的應用。人們使用相變產生的3He超流體來驗證關于在宇宙中如何形成所謂宇宙弦的理論。研究小組用中微子引起的核反應局部快速加熱超流體3He，當它們重新冷卻后，會形成一些渦旋球。這些渦旋球就相當于宇宙弦。這個結果雖然不能作為宇宙弦存在的證據，但是可以認為是對3He液體渦旋形成的理論的驗證。3He超流體的發現不僅對凝聚態物理的研究起了推動作用，而且在此發現過程中所使用的磁共振的方法，開創了用磁共振技術進行斷層檢驗的先河，今天磁共振斷層檢驗已發展成為醫療診斷的普遍手段。

氦－3神奇在哪里

氦－3是氦的同位素，含有2個質子和1個中子。它有著許多特殊的特性。當氦－3和氦－4以一定的比例相混合后，通過稀釋制冷理論，溫度可以降低到接近絕對零度。在溫度達到2.18K以下的時候，液體狀態的氦－3還出現“超流”現象，即沒有黏滯性，它甚至可以從盛放的杯子中“爬”出去。然而，當前氦－3最被人重視的原因還是它作為能源的潛力。氦－3可以和氫的同位素氘發生核聚變反應，但是與一般的核聚變反應不同，氦－3在聚變過程中不產生中子，所以放射性小，而且反應過程易于控制，既環保又安全。

開發利用氦－3

開發利用月球土壤中的氦－3，將是解決人類能源危機的極具潛力的途徑之一。

從20世紀90年代開始，人類掀起了新一輪的探月高潮，在這次探月高潮中，氦－3成為世人共同的目標。但是，月球氦－3的形成和分布特征、儲量和應用，仍是月球科學研究中亟待解決的問題，只有通過大量的探測和重返月球野外實地考察，才能獲得較為滿意的回答。

1.氦－3的形成機理

月球表面的土壤是由巖石碎屑、粉末、角礫巖、玻璃珠組成的，其結構松散且相當軟。月海區的土壤一般厚4～5米，高地的土壤較厚，但也不超過10米。月球土壤的粒度變化范圍很寬，大的幾厘米，小的只有一毫米或微米級，這些細土一般稱為月塵。月球土壤中細小的角礫巖及玻璃珠，約占70％，小顆粒狀玄武巖及輝長巖約占13％。惰性氣體在月球玄武巖和高地角礫巖中含量極低，大氣中就更低，幾乎為零。然而，月壤和角礫巖中氫氣元素則相當豐富。這是由于太陽風的注入，太陽風實際上是太陽不斷向外噴射出的穩定的粒子流。1965年“維那3號”火箭對太陽風的化學組成進行了直接測定，結果顯示，太陽風粒子主要是由氫離子組成的，其次是氦離子。由于外來物體對月球表面撞擊，使月壤物質混雜，在探達數十米的范圍內存在著這氫氣元素。太陽離子注入物體表面的深度，通常小于0.2微米。因此，這些元素在月壤最細顆粒中含量最高，大部分注入氣體的粒子堆積粘合成月壤角礫巖或黎聚在玻璃珠的內部。氦大部分集中在小于50微米的富含鈦鐵礦的月壤中。

2.氦－3的利用前景

月球上的氦－3所能產生的電能，相當于1985年美國發電量的4萬倍，考慮到月壤的開采、排氣、同位素分離和運回地球的成本，氦－3的能源償還比估計可達1∶250。這個償還比和鈾235生產核燃料（1∶20）及地球上煤礦開采（償還比約1∶16）相比，是相當有利的。

此外，從月壤中提取1噸氦-3，還可以得到約6300噸的氫、70噸的氮和1600噸碳。這些副產品對維持月球永久基地來說，也是必需的。俄羅斯科學家加利莫夫認為，每年人類只需發射2～3艘載重10噸的宇宙飛船，即可從月球上運回大量氦－3，供全人類作為替代能源使用1年，而它的運輸費用只相當于目前核能發電的幾十分之一。據加利莫夫介紹，如果人類目前就開始著手實施從月球開采氦－3的計劃，大約30～40年后，人類就能實現月球氦－3的實地開采并將其運回地面，該計劃總的費用將在2500萬～3000萬美元。

有人提出，可不可以不將氦－3運回地球，而是直接在月球上建立核能源基地，通過電能傳輸到靜止軌道上的中斷衛星，再傳送到位于地球的接收站，然后分配到各個地區，供用戶使用呢？科學家們預測，在月球上建立核電站并保持其正常工作，難度要比從月球上運回原料氦－3在地球上發電大得多。

“嫦娥一號”衛星搭載的探月儀器探測月球土壤厚度與元素含量是該探測衛星工作的重要內容。氦－3作為最有潛力的新能源，也是我國探衛星獲取其資源信息的重要內容。