گنجینه پنهان فضایی؛ چرا دانشمندان به دنبال استخراج هلیوم-۳ از ماه هستند؟

خلاصه مقاله:

• ماه ممکن است یکی از مهم‌ترین منابع آینده بشر باشد، زیرا برخی دانشمندان معتقدند مقدار زیادی هلیوم-۳ در سطح آن ذخیره شده است. هلیوم-۳ ایزوتوپی بسیار کمیاب و بسیار گران‌قیمت روی زمین است که در فناوری‌هایی مانند رایانه‌های کوانتومی و تصویربرداری پزشکی کاربرد دارد.
• هلیوم-۳ روی زمین به مقدار بسیار محدود و عمدتاً به‌عنوان محصول جانبی فعالیت‌های هسته‌ای تولید می‌شود و قیمت آن به میلیون‌ها دلار در هر کیلوگرم می‌رسد. در مقابل، سطح ماه ممکن است درطول میلیاردها سال به‌وسیله باد خورشیدی مقدار قابل توجهی هلیوم-۳ جذب و ذخیره کرده باشد.
• استخراج هلیوم-۳ از ماه بسیار دشوار است و نیاز به فناوری‌های پیشرفته برای شناسایی، جمع‌آوری و جداسازی آن از خاک قمری دارد. با وجود چالش‌ها، اگر استخراج هلیوم-۳ ممکن و اقتصادی شود، می‌تواند به شکل‌گیری یک صنعت فضایی بزرگ و تحول در فناوری‌های آینده منجر شود.

وقتی به ماه نگاه می‌کنیم، معمولاً آن را جرمی خاموش و بی‌جان می‌بینیم؛ جهانی خاکستری و سرد که قرن‌هاست الهام‌بخش شعر و خیال انسان بوده است. اما در پشت این ظاهر آرام، شاید منبعی پنهان از یکی از ارزشمندترین مواد آینده نهفته باشد؛ ماده‌ای به نام هلیوم-۳.

هلیوم-۳ روی زمین به‌قدری نادر است که قیمت هر کیلوگرم آن به میلیون‌ها دلار می‌رسد، اما برخی دانشمندان می‌گویند سطح ماه ممکن است در طول میلیاردها سال، مقادیر قابل توجهی از آن را از باد خورشیدی ذخیره کرده باشد. همین ایده ساده، امروز بحثی بزرگ را در میان پژوهشگران و شرکت‌های فضایی به راه انداخته است: آیا ماه می‌تواند به معدن انرژی آینده بشر تبدیل شود؟

از زمان‌های بسیار دور، انسان‌ها هنگام نگاه کردن به ماه پرسش‌های بنیادینی مطرح کرده‌اند اما در قرن بیست‌ویکم، با آغاز رقابت‌های جدید فضایی، پرسش عملی‌تر مطرح شده است: چگونه می‌توان از ماه کسب درآمد کرد؟

به باور برخی پژوهشگران و فعالان صنعت فضایی، پاسخ این پرسش ممکن است در هلیوم-۳ نهفته باشد؛ ماده‌ای که روی زمین بسیار نادر است اما احتمال دارد در سطح ماه به مقدار زیاد وجود داشته باشد.

هلیوم-۳ ماده‌ای بسیار کاربردی و ارزشمند است و تقاضا برای آن درحال افزایش است. این ایزوتوپ به‌عنوان یک سرمایش‌دهنده فوق‌العاده قوی استفاده می‌شود و به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا در دماهایی نزدیک به صفر مطلق کار کنند. همچنین در تصویربرداری‌های پزشکی پیشرفته و شناسایی مواد هسته‌ای غیرقانونی کاربرد دارد و برخی پژوهشگران آن را گزینه‌ای بالقوه برای سوخت راکتورهای همجوشی هسته‌ای آینده می‌دانند.

به‌نوشته‌ی ساینتیفیک آمریکن، درحال‌حاضر، بیشتر هلیوم-۳ موجود در زمین به‌عنوان محصول جانبی فعالیت‌های مرتبط با سلاح‌های هسته‌ای تولید می‌شود. این ماده از واپاشی تریتیوم، ایزوتوپ رادیواکتیو هیدروژن که در بمب‌های گرماهسته‌ای استفاده می‌شود، به دست می‌آید. تولید جهانی هلیوم-۳ بسیار محدود است و تنها چند کیلوگرم در سال به دست می‌آید. همین کمیابی باعث شده قیمت هر کیلوگرم آن حدود ۲۰ میلیون دلار باشد.

با وجود این، برآوردها نشان می‌دهد که ممکن است حدود یک میلیارد کیلوگرم هلیوم-۳ روی سطح ماه وجود داشته باشد. اگر این تخمین درست باشد، استخراج آن می‌تواند به یک صنعت چند تریلیون دلاری تبدیل شود.

فراوانی هلیوم-۳ در ماه باعث می‌شود این ماده از دیگر منابع مطرح ماه، مانند یخ‌آب، متمایز باشد. آب یخ‌زده در دهانه‌های تاریک و سرد ماه وجود دارد و می‌تواند برای تأمین آب، تولید اکسیژن و ساخت سوخت موشک در پایگاه‌های فضایی آینده استفاده شود، اما ارزش اقتصادی آن برای زمین محدود است. در مقابل، هلیوم-۳ در بازارهای زمینی کاربرد مستقیم و بسیار گران‌قیمت دارد.

اما پرسش اصلی این است که آیا واقعاً می‌توان هلیوم-۳ را به مقدار کافی از ماه استخراج کرد و آیا چنین فعالیتی از نظر اقتصادی صرفه دارد یا نه. پل ون سوسانته، پژوهشگر دانشگاه فناوری میشیگان تأکید می‌کند که حتی اگر استخراج ممکن باشد، چالش اصلی در مقیاس‌پذیری آن است؛ یعنی تبدیل یک نمونه آزمایشی به صنعتی بزرگ و پایدار.

ایده وجود هلیوم-۳ در ماه نخستین بار در دهه ۱۹۷۰ و پس از تحلیل نمونه‌های خاک مأموریت‌های آپولو مطرح شد. بعدها نیز برنامه بازگرداندن نمونه‌های قمری چین، شامل مأموریت‌های چانگ‌ای، وجود این ماده را در هر دو سمت نزدیک و دور ماه تأیید کرد. هرچند مقدار اندکی هلیوم-۳ در این نمونه‌ها وجود دارد، همچنان بسیار بیشتر از مقدار موجود در زمین است.

به گفته سارا راسل، دانشمند علوم سیاره‌ای در موزه تاریخ طبیعی لندن، ماه یک منبع اضافی هلیوم دارد: خورشید. باد خورشیدی، یعنی جریان ذرات باردار منتشرشده از جو خورشید، شامل هلیوم-۳ نیز است. زمین به دلیل داشتن جو و میدان مغناطیسی، از این جریان محافظت می‌شود، اما ماه چنین حفاظی ندارد و در نتیجه درطول میلیاردها سال، سطح آن با ذرات باد خورشیدی پوشیده شده است.

هلیوم-۳ روی هر سطحی پایدار نمی‌ماند، اما ماه دارای مقدار زیادی کانی ایلمنیت است؛ ماده‌ای متشکل از آهن، تیتانیوم و اکسیژن که ساختار آن مانند تله‌ای طبیعی برای به دام انداختن گازها عمل می‌کند. کلایو نیل زمین‌شناس قمری از دانشگاه نوتردام در‌این‌باره توضیح می‌دهد: «ایلمنیت مانند اسفنج عمل می‌کند و ذرات ناشی از باد خورشیدی را بهتر از هر کانی دیگر روی ماه نگه می‌دارد.»

به همین دلیل، جست‌وجوی هلیوم-۳ در ماه با نقشه‌برداری دقیق از ترکیب مواد سطحی آغاز می‌شود. دانشمندان ابتدا باید مناطق غنی از ایلمنیت را شناسایی کنند. این مناطق عمدتاً در «دریاوارهای قمری» قرار دارند؛ نواحی تیره‌رنگ سطح ماه که بقایای جریان‌های گدازه‌ای باستانی هستند.

در مرحله بعد، باید بررسی شود که این مناطق تا چه اندازه در معرض باد خورشیدی قرار داشته‌اند. معمولاً نواحی نزدیک به خط استوا و برخی مناطق سمت دور ماه شرایط مناسب‌تری دارند. همچنین مناطقی که در دوران اخیر دچار برخوردهای شهاب‌سنگی نشده‌اند، احتمال بیشتری برای حفظ ذخایر هلیوم-۳ دارند.

بااین‌حال، برخوردهای ریزشهاب‌سنگی نقش دوگانه‌ای دارند. به گفته کریستوفر درایر از مرکز منابع فضایی دانشکده معادن کلرادو، این برخوردها سطح ماه را دائماً زیرورو می‌کنند. این فرآیند هم می‌تواند هلیوم-۳ را از مواد معدنی آزاد کند و هم باعث دفن و حفظ آن در لایه‌های زیرین خاک شود.

مرحله بعدی، بررسی مستقیم سطح ماه است. برای شناسایی هلیوم-۳ باید از ابزارهایی مانند طیف‌سنج جرمی استفاده شود که ترکیب شیمیایی نمونه‌ها را از طریق تحلیل ذرات و تابش‌ها مشخص می‌کند. ماه‌نوردهای مجهز به مته و ابزارهای تحلیلی نقش کلیدی در این مرحله خواهند داشت.

از جمله مأموریت‌های آینده می‌توان به ماه‌نورد وایپر ناسا اشاره کرد که برای بررسی قطب جنوب ماه طراحی شده است. همچنین مأموریت مشترک آژانس فضایی ژاپن و سازمان فضایی هند با نام لوپکس (LUPEX) نیز در حال برنامه‌ریزی است.

با وجود کشف احتمالی ذخایر بزرگ هلیوم-۳، یک سؤال مهم باقی می‌ماند: آیا این ماده با سرعت کافی توسط باد خورشیدی دوباره روی سطح ماه تولید می‌شود؟ اگر این فرآیند بسیار کند باشد، منابع ماه نمی‌توانند پاسخگوی نیاز رو‌به‌رشد فناوری‌هایی مانند رایانه‌های کوانتومی باشند. اما اگر نرخ بازتولید بالا باشد، هلیوم-۳ می‌تواند به نوعی منبع نسبتاً تجدیدپذیر تبدیل شود.

اما استخراج این ماده بسیار دشوار خواهد بود. سارا راسل این فرایند را به استخراج رنگ اسپری‌شده از روی دیوار تشبیه می‌کند. برای این کار، ماشین‌ها باید خاک ماه را گرم و پردازش کنند تا گاز آزاد شود، سپس هلیوم-۳ از سایر گازها جدا و در نهایت به زمین منتقل شود.

تا امروز هیچ عملیات واقعی استخراج هلیوم-۳ روی ماه انجام نشده است. با این حال، شرکت‌های خصوصی در حال ابداع فناوری‌های لازم هستند. یکی از این شرکت‌ها اینترلون (Interlune) است که سال ۲۰۲۰ در سیاتل تأسیس شد.

اینترلون سال گذشته با همکاری شرکت تجهیزات صنعتی ورمیر، نمونه اولیه دستگاهی را معرفی کرد که قادر است در هر ساعت حدود ۱۰۰ تن خاک قمری را پردازش کند. همچنین اینترلون درحال ساخت آزمایشگاهی برای تولید خاک شبیه‌سازی‌شده ماه است تا فناوری‌های استخراج را آزمایش کند. ناسا نیز به‌تازگی قراردادی ۶٫۹ میلیون دلاری با این شرکت برای توسعه فناوری‌های مرتبط با استخراج هیدروژن و هلیوم امضا کرده است.

مأموریت آینده اینترلون با نام پراسپکت مون احتمالاً از سال ۲۰۲۸ آغاز خواهد شد. این مأموریت شامل بازوی رباتیک، دوربین، طیف‌سنج جرمی و ابزارهای مختلف برای آزمایش روش‌های استخراج گازهای باد خورشیدی، از جمله هلیوم-۳ خواهد بود.

بااین‌حال، برخی کارشناسان نسبت به پیامدهای زیست‌محیطی چنین فعالیت‌هایی در ماه هشدار می‌دهند. سارا راسل معتقد است ماه به همه انسان‌ها تعلق دارد و استخراج گسترده ممکن است باعث آسیب‌های سطحی و تغییرات دائمی در چشم‌انداز ماه شود.

درمقابل، مدیران شرکت اینترلون می‌گویند هدف آن‌ها انجام استخراج با حداقل آسیب است و پس از برداشت، سطح ماه تقریباً به حالت طبیعی بازگردانده خواهد شد؛ هرچند هنوز مشخص نیست چنین هدفی تا چه اندازه در عمل قابل تحقق است.

درنهایت، آینده صنعت هلیوم-۳ هنوز مشخص نیست. ممکن است ذخایر ماه کمتر از حد انتظار باشد یا استخراج آن از نظر اقتصادی توجیه‌پذیر نباشد. اما اگر فرض بگیریم دستیابی به این ماده ممکن است، هلیوم-۳ می‌تواند به یکی از مهم‌ترین منابع قرن آینده تبدیل شود و فناوری‌های کوانتومی و اقتصاد فضایی را به‌طور اساسی دگرگون کند.