Hélio-3

Hélio-3
Tipo
hélio
isótopo de hélio
stable isotope (en)
Características
Pesos
3,02 unidade de massa atómica
3,02 unidade de massa atómica
Concepção
Precedido por
helium-2 (en)

O hélio-3, abreviado por He-3, às vezes chamado em inglês de tralphium,[1] ou, aportuguesando, trálfio, é uma forma isotópica não-radioativa do hélio com dois prótons e um nêutron no núcleo atômico.

Descrição

Os núcleos de hélio-3 consistem em dois prótons, mas apenas um nêutron, em contraste com o átomo original de hélio, que possui dois prótons e dois nêutrons. Sua existência foi proposta em 1934 pelo físico nuclear australiano Marcus Oliphant enquanto, no Laboratório Cavendish na Universidade de Cambridge, num experimento em que alguns átomos de deutério (isótopo do hidrogênio) reagiram mais rapidamente que outros (a primeira demonstração de fusão nuclear).[2]

O He-3 foi postulado para ser um isótopo radioativo até que átomos dele fossem identificados naturais na atmosfera (que é principalmente de He-4) por Luis Walter Alvarez e Robert Cornog em um experimento num cíclotron no Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley em 1939.[3] Apesar de o hélio-3 ser aproximadamente dez mil vezes mais raro que o hélio-4 na Terra, a sua presença significativa em depósitos de gás subterrâneos implicou que ele não se deteriorasse ou que tivesse um tempo de vida semelhante à do isótopo primordial. O hélio-3 aparece como um nuclídeo primordial, escapando da crosta terrestre para o espaço ao longo do tempo.

O hélio-3 é proposto como um combustível da segunda geração da fusão nuclear (ver: fusão aneutrônica) para usos energéticos de fusão, mas esses sistemas ainda estão em fase experimental e de desenvolvimento. o He-3 é utilizado na detecção de nêutrons e de temperaturas extremamente baixas de criogenia. Tem sido usado como um gás magnetizável hiperpolarizado para formar imagens magnéticas para estudos.

Propriedades físicas

Diagrama de fases do hélio-3 em baixa temperatura.

Devido à sua baixa massa atômica (3,0160293 u), o He-3 tem propriedades significativamente diferentes do He-4 (4,0026 u). Devido à fraca interação por indução de dipolo-dipolo entre os átomos de hélio 3, suas propriedades macroscópicas são principalmente determinadas pela energia de ponto zero; as propriedades microscópicas do He-3 também fazem com que ele tenha maior energia de ponto zero que o He-4. Isso significa que o He-3 pode superar a interação dipolo-dipolo com menos energia térmica que o He-4. O hélio-3 ferve a 3,19 Kelvin (-269,96 ºC), baixo comparado ao hélio-4, que ferve a 4,23 Kelvin (-268,92 °C), e seu ponto crítico também é menor do que 3,35 K (-269,8 °C), comparado ao do hélio-4, que é 5,19 K (-267,96 °C). Tem menos da metade da densidade quando o líquido está no ponto de ebulição: 0,059 g/ml, a do hélio-4 é 0,12473 g/ml. O seu calor latente de vaporização é também consideravelmente menor, 0,026 kJ/mol, comparado ao hélio-4 que é 0,0829 kJ/mol.[4]

Limite de velocidade

O superfluido hélio-3 parece um vácuo para uma haste que se move através dele, embora seja um líquido relativamente denso. Não há resistência, absolutamente nenhuma. Objetos que se movem através do superfluido hélio-3 não têm limite de velocidade.[5]

Reservas e usos

Ele é muito raro na Terra e é procurado para atividades de pesquisas sobre fusão nuclear. Acredita-se que o gás exista em abundância na Lua (incorporado na camada superior do regolito pela ação de ventos solares durante bilhões de anos) e nos grandes planetas gasosos do Sistema Solar (deixado lá durante a nebulosa solar original), embora ainda em baixa quantidade (28 partes por milhão do regolito lunar é hélio-4 e entre 1 a 50 partes são de hélio-3).[6][7]

As reservas de hélio-3 na Terra são escassas devido ao papel da atmosfera terrestre como escudo protetor contra a radiação. Por outro lado, a situação na Lua é diferente, pois a superfície lunar, não tendo atmosfera, está muito mais exposta à radiação.[8] Como em Marte, isso causa o acúmulo de grandes quantidades de hélio-3, hidrogênio, carbono, nitrogênio, etc. transportados pelo vento solar.[9] Segundo estimativas da Bloomberg, as reservas lunares de hélio-3 poderiam suprir a demanda mundial de energia por 250 anos.[10] Isso levou alguns a definirem o hélio-3 como o "ouro lunar".[11]

Dado seu potencial, a maioria das potências espaciais, como Estados Unidos, China, Rússia ou Índia, estão experimentando uma possível exploração do solo lunar.[12] Por enquanto, a viabilidade de exploração comercial ainda não foi demonstrada.[13] Pode ser encontrado na Lua, mas existem apenas 20 partes de hélio-3 por bilhão de solo lunar, e uma máquina capaz de trabalhar o regolito para extrair o combustível ainda não foi desenvolvida. A isso deve ser adicionado o custo de transportá-lo de volta à Terra.[14]

Abundância natural

Abundância terrestre

O 3He é uma substância primordial no manto da Terra, que se pensa ter sido aprisionada durante a formação inicial do planeta. A proporção de 3He para 4He na crosta e no manto da Terra é menor do que a do disco solar (estimada através de amostras de meteoritos e lunares), apresentando os materiais terrestres geralmente razões de 3He/4He mais baixas devido à produção de 4He a partir do decaimento radioativo.

O 3He tem uma proporção cosmológica de 300 átomos por cada milhão de átomos de 4He,[15] levando à suposição de que a proporção original destes gases primordiais no manto era de cerca de 200–300 ppm quando a Terra foi formada. Ao longo da história da Terra, uma quantidade significativa de 4He foi gerada pelo decaimento alfa de urânio, tório e outros isótopos radioativos, ao ponto de apenas cerca de 7% do hélio atualmente no manto ser hélio primordial,[15] baixando assim a proporção total de 3He:4He para cerca de 20 ppm. Proporções de 3He:4He superiores à proporção atmosférica são indicativas de uma contribuição de 3He proveniente do manto. As fontes crustais são dominadas pelo 4He produzido por decaimento radioativo.

A proporção de hélio-3 para hélio-4 em fontes naturais ligadas à Terra varia grandemente.[16][17] Amostras do minério de lítio espodumena da Mina Edison, Dakota do Sul, continham 12 partes de hélio-3 para um milhão de partes de hélio-4. Amostras de outras minas mostraram 2 partes por milhão.[16]

O próprio hélio está presente em até 7% de algumas fontes de gás natural,[18] e grandes fontes têm mais de 0,5% (acima de 0,2% torna-se viável a extração).[19] A fração de 3He no hélio separado do gás natural nos EUA variou de 70 a 242 partes por bilhão.[20][21] Assim, a reserva dos EUA de 2002 de 1 bilhão de m3 normais[19] teria contido cerca de 12 a 43 kg de hélio-3. De acordo com o físico americano Richard Garwin, cerca de 26 m 3 ou quase 5 kg de 3He estão disponíveis anualmente para separação do fluxo de gás natural dos EUA. Se o processo de separação do 3He pudesse empregar como matéria-prima o hélio liquefeito tipicamente usado para transportar e armazenar quantidades a granel, as estimativas para o custo energético incremental variam de 34 a 300 /L NTP, excluindo o custo de infraestrutura e equipamento.[20] Assume-se que a produção anual de gás da Argélia contenha 100 milhões de metros cúbicos normais[19] e isso conteria entre 7 e 24 m3 de hélio-3 (cerca de 1 a 4 kg), assumindo uma fração de 3He semelhante.

O 3He também está presente na atmosfera da Terra. A abundância natural de 3He no hélio atmosférico é de 1,37×10−6 (1,37 partes por milhão).[22] A pressão parcial do hélio na atmosfera terrestre é de cerca de 0,52 Pa, e assim o hélio representa 5,2 partes por milhão da pressão total (101325 Pa) na atmosfera da Terra, e o 3He representa, portanto, 7,2 partes por trilião da atmosfera. Dado que a atmosfera da Terra tem uma massa de cerca de 5,14×1018 kg,[23] a massa de 3He na atmosfera terrestre é o produto destes números e da razão de peso molecular entre o hélio-3 e o ar (3,016 para 28,95), resultando numa massa de 3815 toneladas de hélio-3 na atmosfera da Terra.

O 3He é produzido na Terra a partir de três fontes: espalação de lítio, raios cósmicos e decaimento beta do trítio (3H). A contribuição dos raios cósmicos é insignificante em todos os materiais, exceto nos regolitos mais antigos, e as reações de espalação de lítio são um contribuinte menor do que a produção de 4He por emissões de partículas alfa.

A quantidade total de hélio-3 no manto pode estar na faixa de 0,1–1 megatoneladas. Algum hélio-3 sobe através de vulcões de ponto quente de origem profunda, como os das Ilhas do Havai, mas apenas 300 g por ano são emitidos para a atmosfera. As dorsais oceânicas emitem outros 3 kg por ano. Em torno de zonas de subducção, várias fontes produzem hélio-3 em depósitos de gás natural que possivelmente contêm mil toneladas de hélio-3 (embora possa haver 25 mil toneladas se todas as antigas zonas de subducção tiverem tais depósitos). Wittenberg estimou que as fontes de gás natural crustais dos Estados Unidos podem ter apenas meia tonelada no total.[24] Wittenberg citou a estimativa de Anderson de mais 1200 toneladas em partículas de poeira interplanetária nos fundos oceânicos.[25] No estudo de 1994, a extração de hélio-3 destas fontes consome mais energia do que a fusão libertaria.[26]

Lua

Os materiais na superfície da Lua contêm hélio-3 em concentrações entre 1,4 e 15 ppb em áreas iluminadas pelo sol,[27][28] e podem conter concentrações de até 50 ppb em regiões permanentemente na sombra.[7] Várias pessoas, começando por Gerald Kulcinski em 1986,[29] propuseram explorar a Lua, minerar o regolito lunar e usar o hélio-3 para fusão. Devido às baixas concentrações de hélio-3, qualquer equipamento de mineração precisaria de processar quantidades extremamente grandes de regolito (mais de 150 toneladas de regolito para obter um grama de hélio-3).[30]

O objetivo principal da primeira sonda lunar da Organização Indiana de Pesquisa Espacial, chamada Chandrayaan-1, lançada a 22 de outubro de 2008, foi relatado em algumas fontes como sendo o mapeamento da superfície da Lua para minerais contendo hélio-3.[31] Tal objetivo não é mencionado na lista oficial de metas do projeto, embora muitas das suas cargas científicas tenham tido aplicações relacionadas com o hélio-3.[32][33]

O cosmoquímico e geoquímico Ouyang Ziyuan da Academia Chinesa de Ciências, que está agora encarregue do Programa Chinês de Exploração Lunar, afirmou já em várias ocasiões que um dos principais objetivos do programa seria a mineração de hélio-3, operação da qual "todos os anos, três missões do vaivém espacial poderiam trazer combustível suficiente para todos os seres humanos em todo o mundo".[34]

Em janeiro de 2006, a empresa espacial russa RKK Energiya anunciou que considera o hélio-3 lunar um potencial recurso económico a ser minerado até 2020,[35] se houver financiamento.[36][37]

Nem todos os autores sentem que a extração de hélio-3 lunar é viável, ou sequer que haverá procura para o mesmo para fusão. Dwayne A. Day, escrevendo no The Space Review em 2015, caracteriza a extração de hélio-3 da Lua para uso em fusão como pensamento mágico sobre uma tecnologia não comprovada, e questiona a viabilidade da extração lunar, comparada com a produção na Terra.[38]

Gigantes gasosos

A mineração de gigantes gasosos para obtenção de hélio-3 também foi proposta.[39] O projeto hipotético de sonda interestelar Project Daedalus, da Sociedade Interplanetária Britânica, era alimentado por minas de hélio-3 na atmosfera de Júpiter, por exemplo.

Abundância na nebulosa solar (primordial)

Uma estimativa inicial da proporção primordial de 3He para 4He na nebulosa solar foi a medição da sua proporção na atmosfera de Júpiter, medida pelo espectrómetro de massa da sonda de entrada atmosférica Galileo. Esta proporção é de cerca de 1:10000,[40] ou 100 partes de 3He por milhão de partes de 4He. Esta é aproximadamente a mesma proporção de isótopos que no regolito lunar, que contém 28 ppm de hélio-4 e 2,8 ppb de hélio-3 (que está no limite inferior das medições reais das amostras, que variam de cerca de 1,4 a 15 ppb). As proporções terrestres dos isótopos são inferiores por um fator de 100, principalmente devido ao enriquecimento dos estoques de hélio-4 no manto por milhares de milhões de anos de decaimento alfa de urânio, tório, bem como dos seus produtos de decaimento e radionucleídos extintos.

Uso na fusão nuclear

A experimentação em reatores de fusão nuclear experimentais (Tokamaks) é realizada com deutério e trítio. A possibilidade de uma futura aplicação do hélio-3 neste processo deve-se às vantagens comparativas com o trítio dadas as suas propriedades. Estes se resumem em maior facilidade no manuseio do material e seus resíduos e maior segurança em caso de acidente.[8]

O resultado da fusão entre um núcleo de hélio-3 e um de deutério é o mesmo que no caso de trítio e deutério. A única diferença é que no primeiro caso é liberado um próton que, tendo carga positiva, pode ficar retido dentro de um campo magnético, evitando sua degradação e a do recipiente. Além disso, em caso de acidente, a reação pararia automaticamente e não liberaria radioatividade, pois tanto o hélio-3 quanto o deutério são isótopos estáveis ​​e, portanto, não radioativos.[8]

Além de seu uso como fonte de energia na Terra, sua possível aplicação astronáutica vem sendo investigada. O DFD (Direct Fusion Drive) é um motor de foguete de fusão em desenvolvimento, que usaria hélio-3. Segundo os pesquisadores, seu desenvolvimento final é o primeiro passo para encurtar as viagens interplanetárias.[41]

Os dois principais problemas na aplicação do hélio-3 na fusão nuclear são a sua escassez na Terra e a dificuldade em conseguir as condições necessárias para a fusão.[8]

Ver também

Referências

  1. ↑ from tri alpha named by George Gamow Owen Gingerich (1999). «Report on the Progress in Stellar Evolution to 1950». Astrophysics and Space Science. 267 (1–4): 3–31. Bibcode:1999Ap&SS.267....3G. doi:10.1023/A:1002711422064
  2. ↑ Oliphant, M. L. E.; Harteck, P.; Rutherford, E. (1934). «Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen». Proceedings of the Royal Society of London. A. 144 (853): 692–703. Bibcode:1934RSPSA.144..692O. JSTOR 2935553. doi:10.1098/rspa.1934.0077
  3. ↑ «Lawrence and His Laboratory: Episode: A Productive Error». Newsmagazine Publication. 1981. Consultado em 1 de setembro de 2009
  4. ↑ Teragon's Summary of Cryogen Properties Teragon Research, 2005
  5. ↑ «Why objects moving through superfluid lack a speed limit?». Tech Explorist (em inglês). 21 de setembro de 2020. Consultado em 21 de setembro de 2020
  6. ↑ Slyuta, E. N.; Abdrakhimov, A. M.; Galimov, E. M. (12–16 de março de 2007). The Estimation of Helium-3 Probable Reserves in Lunar Regolith (PDF). 38th Lunar and Planetary Science Conference. 2175 páginas
  7. 1 2 F. H. Cocks (2010). «3He in permanently shadowed lunar polar surfaces». Icarus. 206 (2): 778–779. Bibcode:2010Icar..206..778C. doi:10.1016/j.icarus.2009.12.032
  8. 1 2 3 4 Lopez, Juan Carlos (9 de julho de 2019). «Hay al menos una razón por la que merece la pena volver a la Luna: recoger su abundante helio-3 y usarlo en la fusión nuclear». Xataca (em castelhano). Consultado em 17 de abril de 2022
  9. ↑ Martínez Frías, Jesús (5 de dezembro de 1998). «Los recursos geológicos de Marte». El País (em castelhano). Consultado em 17 de abril de 2022
  10. ↑ Kotoky, Anurag (26 de junho de 2018). «The quest to find a trillion dollar nuclear fuel on the moon». Bloomberg (em inglês). Consultado em 17 de abril de 2022
  11. ↑ Rodríguez-Rata, Alexis (14 de junho de 2020). «El Salvaje Oeste llega a la Luna». La Vanguardia (em castelhano). Consultado em 17 de abril de 2022
  12. ↑ Zamorano, Enrique (8 de julho de 2018). «El combustible que dará toda la energía necesaria lo puede tener India». El Confidencial (em castelhano). Consultado em 17 de abril de 2022
  13. ↑ Barrado Navascués, David Barrado (12 de setembro de 2019). «La exploración de la Luna: ¿una nueva carrera espacial?». Universidade de Valência (em castelhano). Consultado em 17 de abril de 2022
  14. ↑ mario norberto BITZ (2017). «La Fusión Nuclear: Domar la Energía de las Estrellas "Explicado"». YouTube (em castelhano). Consultado em 17 de abril de 2022
  15. 1 2 Wittenberg 1994
  16. 1 2 Aldrich, L.T.; Nier, Alfred O. Phys. Rev. 74, 1590 – 1594 (1948). The Occurrence of He3 in Natural Sources of Helium. Page 1592, Tables I and II.
  17. ↑ Holden, Normen E. 1993. Helium Isotopic Abundance Variation in Nature. cópia do artigo BNL-49331 "Table II. 3He Abundance of Natural Gas ... 3He in ppm ... Aldrich 0.05 – 0.5 ... Sano 0.46 – 22.7", "Table V. ... of Water ... 3He in ppm ... 1.6 – 1.8 East Pacific ... 0.006 – 1.5 Manitoba Chalk River ... 164 Japan Sea" (Aldrich mediu o Hélio de poços dos EUA, Sano o do gás de Taiwan: Sano, Yuji; Wakita, Hiroshi; Huang, Chin-Wang (September 1986). «Helium flux in a continental land area estimated from 3He/4He ratio in northern Taiwan». Nature. 323 (6083): 55–57. Bibcode:1986Natur.323...55S. ISSN 1476-4687. doi:10.1038/323055a0 Verifique data em: |data= (ajuda))
  18. ↑ WebElements Periodic Table: Professional Edition: Helium: key information Arquivado em 2008-05-09 no Wayback Machine. Webelements.com. Consultado em 2011-11-08.
  19. 1 2 3 Smith, D.M. "qualquer concentração de hélio acima de aproximadamente 0,2 por cento é considerada digna de exame" ... "o governo dos EUA ainda possui aproximadamente 1 bilhão de nm3 de inventário de hélio", "Médio Oriente e Norte da África ... muitos campos de gás natural muito grandes e ricos em hélio (até 0,5 por cento)" (Smith utiliza nm3 para significar "metro cúbico normal", noutros locais chamado "metro cúbico em temperatura e pressão normais" | NTP)
  20. 1 2 Erro de citação: Etiqueta <ref> inválida; não foi fornecido texto para as "refs" nomeadas CRS
  21. ↑ Davidson, Thomas A.; Emerson, David E. (1990). Method and Apparatus for Direct Determination of Helium-3 in Natural Gas and Helium (Relatório). Bureau of Mines, US Department of the Interior. Report of Investigations 9302
  22. ↑ Erro de citação: Etiqueta <ref> inválida; não foi fornecido texto para as "refs" nomeadas CIAAWhelium
  23. ↑ Smith, Lesley; Trenberth, Kevin E. (2005). «The Mass of the Atmosphere: A Constraint on Global Analyses». Journal of Climate. 18 (6): 864–875. Bibcode:2005JCli...18..864T. doi:10.1175/JCLI-3299.1Acessível livremente
  24. ↑ Wittenberg 1994 p. 3, Tabela 1; p. 9.
  25. ↑ Wittenberg 1994 Página A-1 citando Anderson 1993, "1200 toneladas métricas"
  26. ↑ Wittenberg 1994 Página A-4 "1 kg (3He), a potência de bombagem seria de 1,13×106 MW⋅yr ... a potência de fusão derivada ... 19 MW⋅yr"
  27. ↑ FTI Research Projects :: 3He Lunar Mining Arquivado em 2006-09-04 no Wayback Machine. Fti.neep.wisc.edu. Consultado em 2011-11-08.
  28. ↑ E. N. Slyuta; A. M. Abdrakhimov; E. M. Galimov (2007). «The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith» (PDF). Lunar and Planetary Science XXXVIII (1338). 2175 páginas. Bibcode:2007LPI....38.2175S. Consultado em 31 de maio de 2007. Cópia arquivada (PDF) em 5 de julho de 2008
  29. ↑ Eric R. Hedman (16 de janeiro de 2006). «A fascinating hour with Gerald Kulcinski». The Space Review. Consultado em 30 de agosto de 2007. Cópia arquivada em 9 de janeiro de 2011
  30. ↑ I.N. Sviatoslavsky (Novembro de 1993). «The challenge of mining He-3 on the lunar surface: how all the parts fit together» (PDF). Consultado em 4 de março de 2008. Cópia arquivada (PDF) em 20 de janeiro de 2019 Wisconsin Center for Space Automation and Robotics Technical Report WCSAR-TR-AR3-9311-2.
  31. ↑ «With He-3 on mind, India gets ready for lunar mission». The Times Of India. 19 de setembro de 2008. Consultado em 21 de setembro de 2008. Cópia arquivada em 21 de setembro de 2008
  32. ↑ Scientific Arquivado em 2009-10-12 no Wayback Machine. Isro.org (2008-11-11). Consultado em 2011-11-08.
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  37. ↑ Dwayne A. Day (5 de março de 2007). «Death throes and grand delusions». The Space Review. Consultado em 30 de agosto de 2007. Cópia arquivada em 15 de junho de 2023
  38. ↑ Day, Dwayne (28 de setembro de 2015). «The helium-3 incantation». The Space Review. Consultado em 11 de janeiro de 2019. Cópia arquivada em 27 de dezembro de 2018. A crença na mineração de hélio-3 é um ótimo exemplo de um mito que foi incorporado no entusiasmo mais amplo pelo voo espacial humano, um encantamento mágico que é murmurado, mas raramente discutido de facto.
  39. ↑ Bryan Palaszewski. «Atmospheric Mining in the Outer Solar System» (PDF). Cópia arquivada (PDF) em 27 de março de 2009 NASA Technical Memorandum 2006-214122. AIAA–2005–4319. Prepared for the 41st Joint Propulsion Conference and Exhibit cosponsored by AIAA, ASME, SAE, and ASEE, Tucson, Arizona, July 10–13, 2005.
  40. ↑ Niemann, Hasso B.; Atreya, Sushil K.; Carignan, George R.; Donahue, Thomas M.; Haberman, John A.; Harpold, Dan N.; Hartle, Richard E.; Hunten, Donald M.; et al. (1996). «The Galileo Probe Mass Spectrometer: Composition of Jupiter's Atmosphere». Science. 272 (5263): 846–9. Bibcode:1996Sci...272..846N. PMID 8629016. doi:10.1126/science.272.5263.846
  41. ↑ Díaz, Jesús (16 de março de 2021). «Idean una nave espacial de fusión nuclear que acorta el viaje a Marte a un mes». El Confidencial (em castelhano). Consultado em 17 de abril de 2022
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