Від метану — до гелію

Невпинне зростання енергоспоживання у масштабах планети, з одного боку, і вичерпаність покладів традиційних вуглеводнів, з другого, спонукають учених і можновладців до пошуків альтернативних джерел енергозабезпечення. Ця проблема набула особливої гостроти для України з її залежністю від екс...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автор:	Ковтун, Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2006
Теми:	Енергоресурс
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2259
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Від метану — до гелію / Г. Ковтун // Вісн. НАН України. — 2006. — N 8. — С. 23-30. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860167788867354624
author	Ковтун, Г.
author_facet	Ковтун, Г.
citation_txt	Від метану — до гелію / Г. Ковтун // Вісн. НАН України. — 2006. — N 8. — С. 23-30. — укр.
collection	DSpace DC
description	Невпинне зростання енергоспоживання у масштабах планети, з одного боку, і вичерпаність покладів традиційних вуглеводнів, з другого, спонукають учених і можновладців до пошуків альтернативних джерел енергозабезпечення. Ця проблема набула особливої гостроти для України з її залежністю від експорту енергоносіїв з однієї країни і диктатом постійно зростаючих цін на нафту і газ. Тому освоєння альтернативних джерел енергії, а серед них — метану і рослинної біомаси, на які багата Україна, надзвичайно важливе не лише як складова вітчизняної економіки, а й як фактор національної безпеки нашої держави. Ця стаття є продовженням публікації автора (див.: Вісник НАН України. — 2005. — № 12. — С. 51–60).
first_indexed	2025-12-07T17:57:13Z
format	Article
fulltext	ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 8 23 ЕНЕРГОРЕСУРС Невпинне зростання енергоспоживання у масштабах планети, з одного боку, і вичерпаність покладів традиційних вуглеводнів, з другого, спонукають учених і можновладців до пошуків альтернативних джерел енергозабезпечення. Ця проблема набула особливої гостроти для України з її залежністю від експорту енергоносіїв з однієї країни і диктатом постійно зростаючих цін на нафту і газ. Тому освоєння альтернативних джерел енергії, а серед них — мета� ну і рослинної біомаси, на які багата Україна, надзвичайно важливе не лише як складова вітчизняної економіки, а й як фактор національної безпеки нашої дер� жави. Ця стаття є продовженням публікації автора (див.: Вісник НАН Украї� ни. — 2005. — № 12. — С. 51–60). ВІД МЕТАНУ — ДО ГЕЛІЮ АЛЬТЕРНАТИВА ГАЗУ? ГАЗ! В Україні природного газу багато! Таке твердження звучить парадоксально, ви� кликає подив, але це справді так. Блакитне паливо є не тільки у складі нафтових та ву� гільних родовищ, а й в альтернативному дже� релі — у метаногідратних покладах шельфу Чорного та Азовського морів. Тож щорічну по� требу країни в газі — 70—75 млрд м3 — є мож� ливість забезпечити на кілька десятиліть. Метаногідрати зосереджені на глибинах від 300 до 2000 м поблизу берегів більшості континентів, як правило, на крутих підвод� них схилах. Це доводять сейсмічні виміри та результати буріння. Метаногідрати, що скла� даються з води та метану, мають вигляд зви� чайного сірого крихкого льоду. Цей «метано� вий лід» належить до так званих клатратних сполук (від лат. clathratus — замкнутий, ото� чений зусібіч) — перспективний напрям до� сліджень супрамолекулярної хімії. До речі, її засновником є нобелівський лауреат Жан� Марі Лен — французький хімік, іноземний член НАН України. У незвичних сполуках такого типу не ви� никає хімічних зв’язків (у даному разі — між молекулами метану та води). Метан вигідно розміщується у порожнинах кристалічної ґратки льоду. В одиничному конгломераті во� ди та метану міститься 32 молекули води і бли� зько 6—8 молекул метану. А в одному кубіч� ному метрі цієї речовини втримується значно більше енергії, ніж у кубометрі природного газу (за однакового тиску). Отже, у льодових порожнинах одного кубометра метаногідратів «замкнуто» 164 м3 газу! Метаногідрати утворюються під тиском у порах донних осадів, куди згори постійно надходить органічний матеріал і де панують низькі температури та досить високий тиск. Сировиною для них слугують рештки відмер� лих рослин, тварин й інших живих істот, що їх постачають ріки, вода морів та океанів. Мул, який містить вуглець, швидко вкрива� ється іншими нашаруваннями. Доступ до нього аеробних бактерій, які могли б перетво� рити біологічний осад на вуглекислий газ, припиняється. Однак, захищений від цих ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 824 мікроорганізмів, мул стає поживою для ін� ших видів бактерій. У результаті їхньої діяль� ності й утворюється метан. Скупчення метаногідратів виникає і там, де океанічна кора межує з континентальною та йде вглиб, у магму. Така обставина спонукала до інших поглядів на генезис метаногідратів. Ця, найбільш відома гіпотеза, розглядає кос� мічне походження метану. Родовища метано� гідратів трапляються й у тих місцях океану, де його дно занурюється під континент. Там між двома гігантськими плитами є щілини. Через них метан може вивільнятися з магми до гли� бин океану. Цей газ був ще у протопланетній хмарі. З неї народилося сімейство планет, які оберта� ються нині навколо Сонця. У протопланетній хмарі, коли формувалося центральне світи� ло, відбулася диференціація речовини: легкі молекули газів під тиском сонячного світла відходили на периферію (не випадково да� лекі планети�гіганти — Юпітер і Сатурн — містять у своїх атмосферах величезні маси метану). Земля, як близька до Сонця плане� та, утворилася з важчих елементів, але неаби� яка кількість метану їй теж перепала. Тепер він виділяється з магми, коли тиск у щілині між материковими та океанічними плитами падає. Ці дві гіпотези походження метану — органічна, тобто вторинна, та космічна — мирно співіснують. За найбільш оптимістичними оцінками, світові запаси метану в складі гідратів станов� лять від 2 832 до 7 645 563 трлн м3. Донині у світі виявлено понад 220 метаногідратних покладів на шельфі океанів і морів. Щоправ� да, в Росії, у вічній мерзлоті Сибіру, є Мессо� яхське родовище — єдине місце у світі, де зви� чайний природний газ одержують з метано� гідратів. Від нього прокладено газопровід до Норильська. Проблема виявлення та використання ме� таногідратних покладів сьогодні досить ак� туальна. Деякі країни (США, Японія, Індія, Канада) мають національні програми вивчен� ня та промислового освоєння природних ме� таногідратів. Розробка цих ресурсів сприяти� ме не тільки економічному розвиткові окре� мих країн, а й політичній стабільності у світі: зникне боротьба за джерела енергії, непотріб� ними стануть величезні витрати на транспор� тування імпортованої енергії. Відкриття при� родних метаногідратів й освоєння енергії, акумульованої у них, працюватиме на розви� ток цивілізації. У Чорному морі також є багаті поклади метану. У деяких його районах пошуково� розвідувальними організаціями впродовж 1988–1989 років виявлено на глибинах 300– 1000 м під дном метаногідратні родовища. У центральній глибоководній частині моря запа� си метану в гідратах оцінюють у 20–30 трлн м3, а загалом у Чорному морі, за прогнозами гео� логів України та Росії, міститься 60–80 трлн м3 цього газу. Ще в 1968 р. ці потенційно газо� носні райони, за пропозицією України, уряд колишнього СРСР розглядав як перспек� тивні для розробки та газовидобутку. Однак тоді пріоритет віддали Західному Сибіру. Нині ж Україна змушена купувати в Росії і Туркменістані газ, сплачуючи величезні кош� ти. Такий стан справ з ускладненими умова� ми постачання газу ставить перед фахівця� ми першочергове завдання: добути метан і забезпечити Україну хоча б на кілька деся� тиліть паливом і сировиною. Які кроки робляться у цьому напрямі? Поки що, власне, створюються лише по� передні заділи. Вже у незалежній державі 1993 року уряд затвердив постанову про ви� конання програми радянських часів «Газо� гідрати Чорного моря», якою передбачено великий обсяг геологорозвідувальних робіт і створення технологій та конструкцій газодо� бувного комплексу. Однак бюджетних коштів для освоєння метаногідратів Чорного моря і досі не знайшлося. До цієї проблеми вчених залучали фактично на добровільних засадах. Так, фахівці Відділення наук про Землю НАН України у 2002 р. розробили «Загальнодер� ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 8 25 жавну програму розвитку мінерально�сиро� винної бази України на період до 2010 року», в якій важливе місце відвели вивченню за� пасів природного газу на шельфі Чорного моря. Поточного року цю програму Верхов� на Рада нарешті затвердила як закон Украї� ни (набирає чинності з 1 січня 2007 р.). В Одеській академії холоду та науково�до� слідній фірмі «Лід�Газогідрат» опрацьовано оригінальний бізнес�план прибуткового ін� новаційного проекту «Метан — з газогідратів Чорного моря». Його реалізація лише в од� ному невеликому газодобувному комплексі за рік може дати 0,97 млрд м3 метану. Вартість проекту — 150 млн доларів. Пуск першого га� зодобувного комплексу — через 4 роки від початку фінансування. Розробляються й ін� ші, не менш привабливі, проекти за участю закордонних та вітчизняних інвесторів. Не припиняються наукові дослідження у різних наукових установах різних форм власності, зокрема у Міжнародному науково�технічно� му університеті (м. Київ). Але, як і раніше, залишаються нерозв’язаними першочергові завдання для освоєння метаногідратних по� кладів у басейні Чорного моря. Наприклад, важливо уточнити в реальних цифрах запа� си метану, створити спеціалізовану держав� ну структуру для його пошуку та видобутку, залучити до вивчення цієї проблеми інсти� тути НАН України, галузеві, наукові устано� ви та вищі навчальні заклади. Для цього потрібні ґрунтовні дослідження природи ут� ворення метаногідратів і можливості видо� бутку їх із застосуванням екологічно чистих технологій, без порушення біосфери моря. Рано чи пізно Україна змушена буде повер� нутися до цієї злободенної проблеми. Однак на той час має бути створений надійний фун� дамент, закладати який слід уже сьогодні. НАФТОХІМІЯ... З ПОЛЯ Багато хто в Україні вважає, що єдиною сер� йозною альтернативою нафти і газу є вугіл� ля, адже його запасів вистачить на сотні ро� ків. Тут хіміки намагаються реалізувати два напрями. Перший — перетворювати вугілля до штучної нафти шляхом гідрування, інши� ми словами, насичення молекул вугілля вод� нем за допомогою каталізаторів. А далі — за звичайною схемою. Другий шлях — газифі� кувати вугілля, знову ж таки використовую� чи каталізатори. При цьому утвориться той самий синтез�газ (СО та Н2), з якого можна зробити метанол (метиловий спирт). А з нього — безліч продуктів великої хімії. Ме� танол — справді чудова хімічна сировина. В 70�х роках минулого століття навіть вибух� нув бум метанолів. Тоді гадали, що його ви� робництво зросте до кінця ХХ ст. у десятки разів. Саме так промислово розвинені краї� ни намагалися за допомогою найпростішого зі спиртів послабити свою залежність від країн, які постачають нафту. Однак до почат� ку ХХІ ст. метанол так і не став для хіміків панацеєю. Головною перепоною тут є еконо� мічна недоцільність. До того ж, інтенсивне використання вугілля не розв’язує глобаль� ної екологічної проблеми. Але вихід усе�таки знайшовся. І досить не� сподіваний. Хімічна індустрія звернула свій погляд на рослинну сировину. Ідея залучи� ти поновлювані ресурси, а саме — біомасу, не нова, адже щороку рослини на Землі за допомогою фотосинтезу фіксують близько 30 млрд т вуглецю. З нафти і газу ми знищує� мо вуглецю в десять разів менше. Так чому б не запозичити органічні сполуки в рослин? Взагалі людство використовує рослини як паливо з прадавніх часів. Наприклад, наші предки обігрівали помешкання дровами, поки не знищили більшу частину лісів. А в 30�ті роки XX ст. деяким фермерам у США доводилося навіть опалювати свої будинки зерном. Тепер рослини полів, схоже, зможуть прислужитися і великій хімії. Перший поштовх цій ідеї дала нафтова криза 70�х років XX ст. Саме тоді американці розробили біотехнологію одержання так зва� ного паливного спирту з кукурудзяного крох� ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 826 малю за допомогою мікробів за схемою «крохмаль глюкоза спирт». І не тільки розробили, а й у 80�х роках побудували кіль� ка заводів. Такий спирт додають до бензину (від 10 до 85%, в Україні — до 6%) й отриму� ють сумішевий бензин. Це збільшує октано� ве число бензину і позбавляє необхідності додавати небезпечний антидетонатор — тет� раетилсвинець, унаслідок чого у вихлопах автотранспорту помітно зменшується вміст токсичних газів. Ну і, звичайно, бензину вит� рачається на 6—85% менше. А це вже щось. Біотехнологія виявилася настільки раціо� нальною, що сьогодні ціна паливного спирту вдвічі нижча від спирту, одержаного за кла� сичною схемою з нафтохімічного етилену. Тому в 90�х роках усі виробництва з гідратації етилену у США закрили як нерентабельні. Справді, навіщо використовувати дорогу нафту і витрачати недешеву енергію на хіміч� них заводах, якщо можна одержувати спирт з рослинної сировини. Але це був лише пер� ший крок, тобто проба ідеї. Далі технологи запропонували використовувати дешевшу рослинну сировину, щоб добути той самий етилен. А якщо ціна за тонну етилового спир� ту знизиться до 200 доларів і менше, тоді можна буде одержувати з рослинного етано� лу й етилен — першу цеглину величної наф� тохімічної будівлі. А відтак спрямувати ети� лен на потреби хімічної та нафтохімічної про� мисловості. Тоді чому б і не відмовитися від нафти? Та й взагалі, чому тільки етанол? Може, рослинна сировина згодиться для одержання й інших найважливіших про� дуктів великої хімії? У 2000 р. президент США Білл Клінтон виступив із пропозицією спрямувати зусил� ля учених, промисловців та економістів на підготовку державної програми щодо пере� ведення хімічної промисловості США на рос� линну сировину і звернувся з нею до конгре� су. У травні того року, уже за президентства Джорджа Буша�молодшого, конгрес прийняв акт «Про використання біомаси». Таким чи� ном була розроблена державна програма та виділено фінансування на перший рік — 500 млн доларів. Мета була поставлена кон� кретно: через 5–7 років створити дешеву тех� нологію, а через 25 — перевести чверть хіміч� ної промисловості США на рослинну сиро� вину, приміром, на ту саму кукурудзу. В такому разі на переробку вже піде не зерно, а стебла кукурудзи, тобто відходи, які ферме� ри колись спалювали. Деревина, стебла, листя, солома — все це складається з лігніну, целюлози та целобіо� зи. Лігнін — продукт полімеризації ароматич� них спиртів, який відкладається у клітинних оболонках рослин і робить їх міцними, зде� рев’янілими. Хоч як намагайся, лігнін на глюкозу не перетвориш. Тому вчені повинні придумати таку рентабельну технологію, за допомогою якої можна було б виділяти з рос� линної маси марний лігнін, близько 30%. А целюлозу, що залишилася, і целобіозу за до� помогою ферментів перетворювати до глю� козо�фруктозного сиропу — це вже вміють робити. Головне, що такий сироп може стати універсальною сировиною для ферментацій� ної, а згодом — і хімічної промисловості. Вже сьогодні 60% американських солодощів ви� готовляють на основі глюкозо�фруктозного сиропу, одержаного під час переробки куку� рудзяного крохмалю. До речі, сировиною для приготування такого сиропу можуть бути і побутові відходи! На кожного американця на рік припадає 2,5 т побутових відходів, з яких майже 70% — це папір, картон, целюлоза. Яким же чином солодкий сироп може до� помогти великій хімії? Із цукрів за допомо� гою біологічних каталізаторів — ферментів — можна одержувати до 20 різних кислот: мо� лочну, щавлеву, лимонну та ін. А з цих кис� лот — величезну кількість напівпродуктів для хімічної індустрії. Скажімо, якщо від мо� лочної кислоти відщепити воду, одержимо знайому кожному хімікові акрилову кисло� ту. А з неї вже можна виробити цілу низку практично�корисних хімічних продуктів: тет� ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 8 27 рагідрофуран, ацетальдегід, етиленгліколь... Кількість публікацій у зарубіжній науковій літературі на цю тему зростає з кожним днем. «Складається враження, що з органічних кис� лот можна одержати ледь чи не всі продукти великої хімії», — часто переконує академік НАН України В.П. Кухар. «Звичайно, від ла� бораторної схеми до рентабельної промисло� вої технології шлях неблизький та ще й складний. Але мету поставлено, зусилля сконцентровано, і можна не сумніватися, що результати не забаряться», — коментує Ва� лерій Павлович. І вони вже є. Так, у США запущено у виробництво біо� технологію одержання молочної кислоти з конверсією, близькою до теоретичної: з кіло� грама глюкози виходить кілограм молочної кислоти. Така кислота дешевша традиційної. Тому з неї почали отримувати полімер, полі� лактат. Він привабливий тим, що розкла� дається у природних умовах, причому досить швидко, десь тижнів за три. Раніше нікому навіть на думку не спадало виробляти з мо� лочної кислоти полімер, оскільки технологіч� ний процес був занадто дорогим. Нині ж біо� логічно деградуючий полілактат поступово замінює поліетилен і поліпропілен у вироб� ництві пакувального матеріалу. Уявіть собі, упаковка з�під смачного йогурту, недбало ки� нута на газон чи узбіччя дороги, за лічені дні зникне, розклавшись до вуглекислого газу та води. Важливо й те, що ця програма екологічно вигідна: промисловість використовуватиме поновлювану сировину. Та й викиди СО2 до атмосфери не збільшаться: скільки рослини забрали вуглекислого газу з повітря, стільки туди і повернулося. І не тільки це. Скажімо, американські фермери зможуть одержати потужну підтримку, оскільки продаватимуть солому чи бадилля кукурудзи, які колись спалювали, на суму близько 25 млрд доларів на рік. Звичайно, це велика комплексна програ� ма. У ній треба скоординувати зусилля біо� логів, хіміків, біохіміків, промисловців, пра� цівників сільського господарства, створюва� ти структури для збирання та переробки рос� линної сировини. Чому Америка зробила ставку на цю галузь хімії (її ми ще називаємо білою хімією — за кольором цукру)? Напевно, тому, що США споживають третину світових ресурсів наф� ти, газу та пластмас. І ці ресурси можуть ви� черпатися. За такого потужного споживання залежність економіки країни від ситуації з нафтою та газом надзвичайно небезпечна. Позбутися її допоможе біла хімія, орієнтова� на на поновлювану рослинну сировину з по� лів. Звернімо увагу на те, що є також зелена хімія. Але тут фахівці спрямовують свою ува� гу на вдосконалення технологій хімічних процесів з метою захисту навколишнього се� редовища: землі, повітря, води тощо. А найважливіше те, що на державному рів� ні зрозуміли: економічний успіх та добробут суспільства зможуть забезпечити дешеві, ре� сурсозберігальні технології, не завдаючи при цьому шкоди навколишньому середовищу. І тут білій хімії, вочевидь, немає рівних! З метою подальшого розвитку таких робіт в Україні, а також для координації досліджень, які здійснюють фахівці різних наукових на� прямів (хіміки, мікробіологи, біохіміки, фізіо� логи, генетики, ботаніки тощо), доцільно ство� рити міждисциплінарну загальноакадемічну програму щодо фундаментальних проблем біо� маси — потенціалу для хімічної, нафтохімічної та біотехнологічної індустрій. Її виконання дасть змогу нашим науковцям зробити свій внесок у розв’язання цієї глобальної проблеми. СТАВКА НА ГЕЛІЙ? А чим же замінити у разі вичерпання нафту, газ та вугілля у глобальній перспективі? Фа� хівці називають атомну та термоядерну енер� гетику. Серед нових завдань — колонізація Місяця заради привабливої ідеї використан� ня унікальних запасів ізотопу гелію�3 для одержання термоядерної енергії на Землі. ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 828 Останнім часом ця ідея дедалі частіше стає предметом наукових дискусій та сенсаційних повідомлень. Чорнобильська аварія загальмувала розви� ток атомної енергетики в нашій країні. Але світовий досвід переконує: проблеми безпеч� ності АЕС можуть бути подолані. Будівницт� во таких станцій триває. Їхній внесок у за� гальне виробництво електроенергії у світі по� вільно, але невпинно зростає. Однак і атомна енергетика не може цілко� вито розв’язати енергетичної проблеми — запаси ізотопів, того ж таки урану чи торію, також обмежені. Та й забруднювати природу радіоактивними відходами небезпечно. За прогнозами фахівців, на зміну атомній енер� гетиці має прийти термоядерна, що ґрун� тується на реакціях керованого термоядерно� го синтезу. Такі реакції відбуваються у гли� бинних надрах Сонця внаслідок злиття ядер водню і гелію. Виділяється величезна кіль� кість енергії, яку ми одержуємо у вигляді світла й тепла. Нагадаємо, термоядерних ре� акцій нині відкрито безліч, але спільним для них є те, що кілька легких ядер (скажімо, вод� ню і гелію) зливаються в одне — важке. Під час такого синтезу на одиницю маси виді� ляється значно більше енергії, ніж за ядер� ного розпаду, наприклад, того самого урану. Та помітної швидкості ці реакції досягають тільки за температури в десятки і сотні міль� йонів градусів за Цельсієм. У цьому — одна з головних перешкод практичного застосуван� ня термоядерних реакцій в енергетиці. Най� скромніші вимоги до температури висуває реакція поєднання ізотопів дейтерію з тритієм. Щоб активізувати цю реакцію, по� трібно «всього» 100 млн градусів. Для інших реакцій температура ще вища. Тому всі су� часні проекти керованих термоядерних реак� торів орієнтовані на синтез дейтерію з три� тієм. Розрахунки свідчать: запасів дейтерію у складі важкої води рік, морів і океанів вис� тачить на мільйони років за найбільш бурх� ливого розвитку термоядерної енергетики на Землі. Принагідно нагадаємо, що вперше в СРСР 1934 року український учений, фізи� ко�хімік академік Олександр Ілліч Брод� ський (1895–1969) створив установку для одержання чистої важкої води, використову� ючи звичайну водопровідну воду Дніпра та електроенергію Дніпрогесу. Складніше з іншим компонентом палива — ізотопом водню тритієм. Це радіоактивний ізотоп, який розпадається на електрон, гелій�3 і нейтрино з періодом напіврозпаду близько 12 років. Через таку коротку тривалість існу� вання природна концентрація цього ізотопу на Землі незначна. Тож доведеться необхід� ний для роботи термоядерних реакторів три� тій одержувати штучно, опромінюючи нейт� ронами ядра літію. Тому перспективи термо� ядерної енергетики, що базується на реакції дейтерію з тритієм, визначатимуться запаса� ми літію. За оцінками, його легкодоступних ресурсів вистачить приблизно на 100 років. Однак, враховуючи те, що літій необхідний і для інших потреб (металургії, акумулятор� них батарей, термостійкої кераміки тощо), то цей термін скорочується приблизно до 50— 70 років. Отже, розвиток термоядерної енергетики на основі реакції дейтерію з тритієм не роз� в’язує проблему обмеженості енергетичних ресурсів Землі, а лише знімає її гостроту на певний час. Нині температуру, близьку до необхідних 100 млн градусів, одержують на установках типу ТОКАМАК («тороїдна камера з магніт� ними котушками»), винайдених ще за ра� дянських часів для утримування високотем� пературної плазми магнітними полями з ме� тою генерування реакції керованого термо� ядерного синтезу. Поки що в цих дослідах замість суміші дейтерію з тритієм учені ви� користовують лише дейтерій. Адже за на� грівання до десятків мільйонів градусів у чи� стому дейтерії також відбуваються термо� ядерні реакції. Щоправда, з набагато меншою інтенсивністю, ніж це було б у суміші з три� ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 8 29 тієм. То чому ж не беруть суміш? А тому, що технологія утворення нейтронів під час злит� тя ядер дейтерію і тритію потребує спеціаль� ного захисту приладів і персоналу від опро� мінення. Це надто ускладнює дослідження. Більшість розглянутих проблем відпаде, якщо використовувати замість реакції дейте� рію з тритієм термоядерну реакцію дейтерію з гелієм�3. Характерно, що в такому разі ра� діоактивні ізотопи не утворюються. Їх немає ні у вихідних компонентах, ні серед продуктів реакції. Вивільнювана енергія ділиться тіль� ки серед утворених заряджених частинок: 3,6 Мев дістаються ядру гелію�4 і 14,7 Мев — протону. До того ж, зауважимо, що поведін� кою заряджених частинок легко керувати за допомогою електричних і магнітних полів. Зокрема, можна прямо перетворити їхню енергію на електричну з високим коефіцієн� том корисної дії. То чому ж цю реакцію доте� пер не розглядали? Існують дві причини. По� перше, взаємодія дейтерію з гелієм�3 відбу� вається значно складніше, ніж дейтерію з тритієм. Швидкість сполучення дейтерію з гелієм�3 досягає максимуму за температури 800 млн градусів, а для реакції дейтерію з тритієм потрібно «лише» 100 млн. По�друге, навіть за оптимальної температури дейтерій сполучається з гелієм�3 у 50 разів повільніше, ніж із тритієм. Відповідно, потрібно довше втримувати у керованому реакторі нагріту плазму. Пригадаймо, що на початку термоядерних досліджень рубіж 100 млн градусів справед� ливо вважали основною перепоною на шля� ху до керованого термоядерного синтезу. Ко� жен новий мільйон загрожував зробити цей рубіж недосяжним. Інша річ — тепер. Зусил� лями вчених різних країн створено фізику плазми, знайдено способи термоізоляції та утримання її у магнітному полі, опрацьова� но методи нагрівання, які роблять 100 і навіть 800 млн градусів не такими вже недосяжни� ми. Отже, перша причина, через яку в почат� кових проектах було відкинуто реакцію дей� терію з гелієм�3, втратила принципову гос� троту. Набагато серйознішою є інша пробле� ма: звідки взяти гелій�3? Хімічний елемент гелій — один із найпоши� реніших у природі. Відповідно до загально� прийнятої нині моделі утворення Всесвіту — внаслідок Великого вибуху — первісний склад речовини містив 93,5% атомів водню і 6% атомів гелію. Космічні спостереження дово� дять: приблизно таке саме співвідношення збереглося дотепер у зірках і на більших газо� вих планетах — Юпітері й Сатурні. Але на планетах на зразок нашої Землі це співвідно� шення істотно відрізняється від первісного. Адже маса Землі недостатньо велика, щоб ут� римувати легкі атоми водню і гелію. Водень зберігається на планеті в хімічних сполуках із важчими елементами. Гелій практично не вступає в хімічні реакції з іншими речовина� ми, тому швидко зникає у космічному про� сторі. У глибинах Землі гелій утворюється під час розпаду радіоактивних елементів. Тому він є у вулканічних газах і газових родовищах. Йо� го добувають здебільшого для потреб кріоген� ної техніки. Але дістається нам переважно ізо� топ гелію�4. Відносний вміст ізотопу гелію�3 у газових родовищах значно нижчий, ніж у космічному просторі. В усьому світі його вда� лося нагромадити лишень кілька десятків кілограмів. У розвіданих надрах міститься не більше 200–400 кг цього ізотопу. Для безпе� рервної роботи протягом року термоядерно� го реактора потужністю мільйон кіловат по� трібно мати близько 50 кг гелію�3. Отже, його земних запасів вистачить лише на досліджен� ня й налагодження кількох перших керованих термоядерних реакторів. Для забезпечення роботи промислових електростанцій гелій�3 потрібно шукати поза нашою планетою. Учені, аналізуючи місячний ґрунт (реголіт), доставлений на Землю радянськими автома� тичними станціями та американськими екс� педиціями за програмою «Аполлон», вияви� ли, що в зразках, узятих з місячних гір, місти� ться 7 г гелію�3 на тонну ґрунту, а з місячних 30 ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 8 «морів» — до 36 г на тонну. Відносний вміст ізотопу гелію�3 майже такий, як у сонячному вітрі. Вдалося оцінити й загальні його запаси на Місяці — вийшло приблизно мільйон тонн. Порівняно зі скромними земними ресурсами цифра ця вражає. Якщо енергетику Землі по� будувати на основі термоядерної реакції дей� терію з гелієм�3, то вона споживатиме близько 500 т гелію�3 за рік. Отож запасів місячного гелію вистачить більш як на тисячу років. Попри цей оптимістичний висновок, спо� рудження заводу із видобутку гелію�3 на Мі� сяці поки не планується. Адже спочатку по� трібно, принаймні, продемонструвати успіш� ну роботу першого термоядерного реактора хоча б на реакції дейтерію з тритієм. І все�таки не випадково майже в кожній доповіді, в якій обговорюється проект майбутнього термо� ядерного реактора, йдеться про можливість переходу на реакцію дейтерію з гелієм�3. За словами президента США Дж. Буша, до 2020 року на Місяці буде збудовано базу, яка забезпечить «постійну людську присут� ність». «Завдяки досвіду та знанням, отрима� ним на Місяці, ми будемо готові зробити на� ступні кроки у підкоренні Космосу: польоти людей на Марс і до інших світів», — ствер� джує Буш. Промислове освоєння Місяця потрібне для виходу людства до запасів унікального енергоносія гелію�3, якого немає на Землі, вважає голова Російської ракетно�космічної корпорації «Енергія» М. Севастьянов. Видо� буток гелію�3 на Місяці та вивезення його космічними кораблями, на думку академіка РАН Е. Галімова, можна буде розпочати за років 30–40. Зрозуміло, що ці повідомлення на іноземних сайтах розраховані на сенсацію. Та все�таки можливість створити колись, не� хай навіть через кілька десятиліть, екологіч� но чисте і практично вічне джерело енергії — надто приваблива! Григорій КОВТУН, член*кореспондент НАН України, заступник директора Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України (Київ).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2259
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0372-6436
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T17:57:13Z
publishDate	2006
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format	dspace
spelling	Ковтун, Г. 2008-09-16T14:03:10Z 2008-09-16T14:03:10Z 2006 Від метану — до гелію / Г. Ковтун // Вісн. НАН України. — 2006. — N 8. — С. 23-30. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2259 Невпинне зростання енергоспоживання у масштабах планети, з одного боку, і вичерпаність покладів традиційних вуглеводнів, з другого, спонукають учених і можновладців до пошуків альтернативних джерел енергозабезпечення. Ця проблема набула особливої гостроти для України з її залежністю від експорту енергоносіїв з однієї країни і диктатом постійно зростаючих цін на нафту і газ. Тому освоєння альтернативних джерел енергії, а серед них — метану і рослинної біомаси, на які багата Україна, надзвичайно важливе не лише як складова вітчизняної економіки, а й як фактор національної безпеки нашої держави. Ця стаття є продовженням публікації автора (див.: Вісник НАН України. — 2005. — № 12. — С. 51–60). uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Енергоресурс Від метану — до гелію Article published earlier
spellingShingle	Від метану — до гелію Ковтун, Г. Енергоресурс
title	Від метану — до гелію
title_full	Від метану — до гелію
title_fullStr	Від метану — до гелію
title_full_unstemmed	Від метану — до гелію
title_short	Від метану — до гелію
title_sort	від метану — до гелію
topic	Енергоресурс
topic_facet	Енергоресурс
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2259
work_keys_str_mv	AT kovtung vídmetanudogelíû

Від метану — до гелію

Репозитарії

Схожі ресурси