لماذا يبحث العلماء عن الهيليوم على سطح القمر؟
الهيليوم 3.. طاقة نظيفة يكلف انتاج الكيلو جرام منها 17 مليون دولار



بسبب تزايد الأهمية المعلّقة على مستقبل الطاقة أياً كان مصدرها، حقَّق العلماء خلال العقود القليلة الماضية تقدّماً ملموساً في استغلال مصادر طاقة متجدِّدة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، للحد من استنفاد مصادر الطاقة الأحفورية غير المتجدِّدة. ولكن لأن ما تحقَّق حتى الآن لا يكفي لطمأنة البشرية على المدى الطويل، يستمر العلماء في البحث عن مصادر جديدة للطاقة. وفي هذا الإطار يحضر على طاولات البحث العلمي اسم "الهيليوم 3"، كمصدر كبير للطاقة النظيفة والآمنة أكثر من المفاعلات النووية.
إن ما قد يجنح بموضوع الهيليوم 3 صوب الخيال العلمي أكثر منه إلى ما هو عملي وتطبيقي، هو أنه يتوجب جلبه من القمر لأنه غير موجود على الأرض. ولكن انطلاق الدراسات الرصينة للإقدام على استجلاب هذا الغاز الثمين من الفضاء إلى الأرض، مصحوباً ببدء ضخ الاستثمارات الضخمة في هذا المجال، يحملنا على التوقف أمام هذا المصدر الجديد للطاقة.
ما هو الهيليوم 3؟
الهيليوم هو العنصر رقم 2 في الجدول الدوري للعناصر الموجودة في الطبيعة، أو التي صنعت في المختبر. وهو ثاني أخف عنصر معروف في الكون بعد الهيدروجين. وتتألَّف نواة ذرة الهيليوم من بروتونين اثنين ونيوترونين اثنين. أما "الهيليوم 3" فهو أحد نظائر الهيليوم، أو نوع معيَّن منه، وتتألَّف نواته من بروتونين اثنين ونيوترون واحد. وهو النظير الوحيد الثابت من بين كل العناصر في الكون التي لنواة ذرتها بروتونات أكثر من النيوترونات. هو لا يتحد مع غيره ليشكِّل جزيئاً بل يبقى دائماً، في الحالات الطبيعية، على شكل ذرّات.


في ظروف عادية من الضغط الجوي والحرارة يكون الهيليوم على شكل غاز، لا لون له ولا رائحة ولا طعم، غير سام وليس له نشاط إشعاعي. هو عنصر خامل لا يحترق ولا ينفجر. ولذلك، يستعمل في المناطيد الضخمة والبالونات لأنه أخف من الهواء، كما يستعمل في قوارير الهواء التي يستعملها الغواصون تحت الماء بخلطه مع الأكسجين والنيتروجين لأنه لا يتفاعل معهما. ويستخدم في تبريد المغانط الكهربائية في جهاز الرنين المغناطيسي. كما يستخدم في عدة تطبيقات لتقليل مقاومة التيار الكهربائي. ويستخدم أيضاً للتبريد في المصادم الكبيرة المخصصة للاختبارات الفيزيائية.
والهيليوم 3 آمن جداً ولا يطلق أي ملوّثات أو نفايات إشعاعية، ولا يشكِّل خطراً على المناطق المحيطة. ولكنه عندما يسخن حتى درجات حرارة عالية جداً ويتحد مع الديوتيريوم، فإنه يطلق كميات كبيرة جداً من الطاقة. وعلى سبيل المثال، فإن كمية لا تتجاوز كيلوغراماً واحداً منه متحدة مع كيلوغرام ونصف الكيلو من الديوتيريوم تنتج 19 ميغاواط من الطاقة. وهذا يعني أن حوالي 25 طناً من الهيليوم 3 يكفي لإمداد الولايات المتحدة الأمريكية بالطاقة لمدة سنة كاملة.
مصادره
يُعد الهيليوم ونظائره، ثاني أكثر العناصر وفرة في الكون بعد الهيدروجين، حيث يشكِّل %24 من مجمل كتلة العناصر فيه. ولكن على الرغم من وفرته الكبيرة في الكون، فإن وجوده على كوكب الأرض نادر جداً؛ وسبب ندرته هو تطايره بسرعة إلى الفضاء الخارجي إن وجد.


إن كميات الهيليوم 3 التجارية والمستخدمة حالياً في بعض التطبيقات العملية، مصدرها الإنتاج الصناعي. خاصة في المفاعلات النووية التي تنتج أولاً التريتيوم وهو نوع من الهيدروجين (أو نظير الهيدروجين)، الذي هو عنصر مشع. ثم يوضع التريتيوم في أماكن آمنة لمدة 12 سنة، حيث يتحلَّل ويتحوَّل إلى هيليوم 3. ويباع بنحو 17 مليون دولار للكيلوغرام الواحد منه حالياً.
يقول الكاتب الأمريكي جاسون روس، "إن التمكن من الاندماج النووي وإتقانه هو المرحلة الأساسية التالية في التطور البشري الطويل الأمد. لننسى إنتاج الكهرباء: "إن دخول مرحلة" إتقان الاندماج النووي هو بأهمية مرحلة ترك العصر الحجري أو مرحلة تطوير محرك البخار. وتحديداً يمكن أن نضع اندماج الهيليوم 3 في سياق المراحل الثلاث للإنسان: الأدوات الحجرية (في العصر الحجري)، وعصر الكيمياء (الثورة الصناعية)، ثم العصر النووي".
لماذا من القمر؟
المصدر الأساسي للهيليوم 3 في الطبيعة هي العواصف الشمسية التي لا تستطيع الوصول إلى الكرة الأرضية المحمية بالغلاف الجوي وبالحقل المغناطيسي. أما القمر، خلافاً للأرض، فإنه يقف عارياً أمام العواصف الشمسية وقصف النيازك والإشعاع الكوني. لهذا تم إثراؤه بموارد عديدة يقع معظمها على سطحه أو بعمق قريب من السطح، ويمكن الوصول إليه. ولهذا السبب يتوفر الهيليوم 3 في القمر ويندر وجوده على الأرض.


وهذه العواصف الشمسية، هي نوع من البلازما (للمادة أربع حالات: الصلب، السائل، الغاز، والبلازما)، تُنتَج وتُطرَد خارجاً عندما تحرق الشمس باستمرار وقودها من الهيدروجين بالانصهار النووي، وتتألف بنسبة %96 من الهيدروجين و%4 من الهيليوم، وتدخل القمر وتنزرع في تربته متفاعلة كيميائياً مع المعادن الموجودة فيها.
هذه العناصر، حتى تلك المتناهية الصغر منها، التي هي بحجم أجزاء من المليون من المتر، تضرب سطح القمر بسرعة تتراوح بين 40000 إلى 250000 كيلومتراً في الساعة، فتطحن وتسحق أي شيء تصطدم به؛ لذلك تبدو تربة القمر كالغبار.


يمتلك القمر كميات كبيرة من الهيليوم 3 نتيجة تعرضه لهذه العواصف الشمسية. وتتركَّز في المناطق المظللة منه أكثر من تلك المشمسة. ويقدّر العلماء كمية الهيليوم 3 الموجودة على القمر بين مليون وخمسة ملايين طن. ويمكن لهذه الكمية أن تطلق طاقة تساوي عشرة أضعاف كل الوقود الأحفوري، النفط والغاز والفحم الحجري، الموجود في القشرة الأرضية والمستخرج منها.
وبسبب التركيز المنخفض للهيليوم 3 في هذه التربة، حيث إنه لاستخراج كيلوغرام واحد من الهيليوم 3 يجب معالجة أكثر من 15 طناً من الحطام الصخري، ولأنه متركز على سطحه وعلى أعماق قليلة جداً لا تتعدى المتر أو المترين، يتوجب جمعه من مساحات شاسعة. الأمر الذي سيستوجب نقل معدات كثيرة وكافية تعمل بالطاقة الشمسية إلى القمر لإنجاز هذه المهمة، وذلك يتطلَّب وقتا طويلاً يقدر بعدة سنوات. أما نقل كميات من التربة إلى الأرض ومعالجتها فهو مكلَّف جداً وغير واقعي. ولكن تحرير الهيليوم 3 من الحطام الصخري، يمكن أن يتم بسهولة نسبية على القمر نفسه عندما يتم تسخين الحطام إلى 700 درجة مئوية. ثم يبرد الغاز إلى الدرجة التي يتكثف فيها أي شيء آخر غير الهيليوم وينفصل عنه. بعد ذلك يمكن فصل الهيليوم 3 عن الهيليوم 4، الأكثر شيوعاً، بتقنيات معروفة جيداً. ثم يُعبأ الهيليوم 3 في قارورات ويشحن إلى الكرة الأرضية.
الصعوبات التقنية والمالية هائلة، وقد تجعل من مشاريع استخراج الهيليوم 3 من سطح القمر أقرب إلى الأحلام، أو المشاريع المؤجلة لعدة عقود من الزمن، وقد لا نراها في هذا القرن. ولكن خطوات عملية كثيرة بدأت بالفعل، رغم النتائج المحدودة واستمرار الشكوك في جدواها.
البحث العملي عنه خارج الأرض
في سبعينيات القرن الماضي أطلقت جمعية الكواكب البريطانية مشروع "دايدالوس" لدراسة عملية لإرسال مسبار فضائي للبحث عن الهيليوم 3، الذي كان يُعتقد أنه موجود بوفرة في كوكب المشتري. لكن ذلك توقَّف في نهاية العقد نفسه بعد التأكد من أن التكنولوجيا في ذلك الوقت لا تسمح بتصميم مسبار فضائي مناسب لهذه المهمة.
وفي عام 2006م أعلنت الشركة الروسية لمركبات الفضاء نيتها البحث عن الهيليوم 3 في القمر، والبدء بالتنقيب عنه سنة 2020م، لكن ذلك لم يتحقق.
كما نشرت الصحف الهندية في عام 2008م أن مهمة مسبار القمر التي أرسلته منظمة أبحاث الفضاء الهندية، والذي أطلق عليه إسم "شاندرايان 1" كانت رسم خريطة المواقع التي تحتوي على الهيليوم 3 سطح القمر. لكن ذلك توقَّف ولم نعد نسمع عنه شيئاً.
دخول القطاع الخاص على الخط
بعد أن اقتصرت الرحلات الفضائية المأهولة وغير المأهولة إلى سطح القمر على البعثات الحكومية من الولايات المتحدة الأمريكية وروسيا والصين والهند وأوروبا، كانت شركة "مون إكسبريس" الأمريكية أول شركة خاصة تحصل في عام 2017م على إذن من الحكومة للسفر إلى الفضاء الخارجي والقمر.
وقد أسَّس "مون إكسبريس" رجال أعمال وباحثون من وادي السيليكون في عام 2010م. وأطلقت بنجاح تجربتها الأولى سنة 2011م بالتعاون مع وكالة الفضاء الأمريكية. واشترك معها في هذا المشروع الضخم عديد من المؤسسات الحكومية والخاصة من أنحاء العالم.
وأطلقت هذه الشركة على القمر اسم "القارة الأرضية الثامنة" (بعد إفريقيا، القطب الجنوبي، آسيا، أستراليا، أوروبا، شمال أمريكا وجنوب أمريكا). وهدفها مزدوج، الشق الأول متعلق بالتنقيب في القمر عن الموارد مثل هيليوم 3 والذهب والبلاتين ومجموعة المعادن الثمينة؛ والشق الثاني متعلِّق بمساعدة الباحثين على تطوير مستعمرات الفضاء البشرية للأجيال المقبلة. وتتضمَّن خطتها ثلاث بعثات على فترات غير متباعدة.
البعثة الأولى تحت اسم "لونر سكاوت" أو "كشاف القمر"، ستكون أول رحلة تجارية إلى الفضاء الخارجي، وهي متوقعة خلال العام الجاري 2018م. وسيكون من بين ما ستحمله معها المرصد القمري الدولي "مون لايت"، أو ضوء القمر الذي صنع من قبل مؤسسات حكومية وجامعية.
والبعثة الثانية اسمها "لونر أَوتبوست" أو "المحطة القمرية" سيكون هدفها القطب الجنوبي القمري، وستجرى في غضون العام المقبل 2019م. ومن المعروف أن أقطاب القمر لديها كميات كبيرة من المياه والموارد الأخرى، بالإضافة إلى تسميتها "ذرى الضوء الأبدي" حيث أشعة الشمس لا تفارقها تقريباً، والاتصــال المباشر منها مع الأرض ممكن. والهدف الرئيس لهذه البعثة هو إنشاء أول مركز بحثي للقمر، وتركيز مجموعــة متنوعة من أدوات البحث لشركائها في البعثات.
البعثة الثالثة اسمها "لونر هارفيست" أو "حصاد القمر"، وهي متوقعة في عام 2020م وتشمل العودة التجارية مع عيِّنات من الأحجار القمرية. وتبدأ بها أيضاً مرحلة توسعة الاستكشاف المتعلِّقة بموارد القمر.
ويقدّر بعض الخبراء أن التكلفة الإجمالية لبرنامج تصميم وتصنيع الصواريخ، وتكلفة بدء العمليات القمرية وإنشاء مصنع اندماج نووي على الأرض ستبلغ نحو 15 مليار دولار.
رحلة تشانتجي الصينية
قد تكون الصين على أبواب إنجاز فذ لم يسبق لغيرها القيام به من قبل في الفضاء الخارجي. فبينما تتردَّد حكومات الولايات المتحدة والهند وروسيا وأوروبا بالمباشرة في تنفيذ رحلات تجارية إلى القمر للتنقيب عن الهيليوم 3، تخطو الصين، حسب وصف صحيفة الغارديان، "خطوة إضافية شجاعة لاستكشاف القمر". وستطلق في العام الجاري 2018م رحلة غير مأهولة مكوّنة من عنصرين رئيسين تحت اسم واحد هو "تشانتجي 4 "، تيمناً باسم بطلة أسطورية صينية قديمة. ويذكر أن "تشانتجي 3" احتلَّت عناوين الصحف العالمية عام 2013م، بوصفها أول هبوط ناعم على سطح القمر منذ آخر إنزال أمريكي عام 1976م.
سينطلق المكوّن الأول من تشانجي 4 في يونيو 2018م. وسيكون قمراً اصطناعياً للمناوبة، يتمركز على مسافة 60000 كم وراء القمر، وسيشكِّل مركزَ اتصالات بين الأرض وأبعد نقطة في القمر. وهذا الرابط سيسمح بإرسال المكوّن الثاني وهو مركبة روبوتية وإنزالها على الجانب الخلفي من سطح القمر، أي الجهة التي لم يطأها أحد من قبل، وذلك لصعوبة الاتصالات منها بالأرض.
إن سلسلة رحلات تشانتجي هذه هي تمهيد لسلسلة أخرى من الرحلات القمرية الروبوتية، المخطَط لها أن تنتهي خلال 15 عاماً بنزول روَّاد صينيين عليه. وسيكون من ضمن هذه السلسلة، المركبة الفضائية "المسيرة الكبرى 9" عام 2028م، تيمناً بالمسيرة الكبرى للزعيم الصيني ماو تسي تونغ في ثلاثينيات القرن الماضي، وذلك تمهيداً لاستثمار الهيليوم 3 على سطحه.


والحال أن ثلاثة أرباع الطاقة التي تستخدمها الصين حالياً مصدرها الفحم. لكن هذا أوجد مشكلة بيئية خطيرة في مدنها يصعب الاستمرار فيها إلى ما لا نهاية: فهي تكاد تختنق بالملوثات. والحل الوحيد الممكن، كما يرى الصينيون، هو استغلال طاقة الهيليوم 3 الموجود بوفرة على سطح القمر.
فالطاقة المتولدة من قطار طوله كيلومتر ويحمل 5000 طن من الفحم، يمكن الحصول عليها باستبداله بـ 40 غراماً فقط من الهيليوم 3. ولنتخيل ما ستوفره الصين من تكاليف نقل وغيره ونظافة في البيئة.
يقول البروفيسور أويانغ تسي يوان، كبير العلماء في برنامج استكشاف القمر الصيني، إن الهيليوم 3 الموجود بوفرة على القمر يمكن أن يكفي سكــان الكرة الأرضية من الطاقة النظيفة لعشرة آلاف سنة مقبلة. لذلك، فإن الصين بدأت منذ فترة الإعداد، ليس فقط لإرسال مركبات كما رأينا أعلاه، بل إعداد خطط تصنيع على سطح القمر لاستخراج الهيليوم 3 من بين العناصر الأخرى المندمجة معه.
شكوك علمية
على الرغم من هذه الجهود الجبارة للبحث عن الهيليوم 3 خارج الكرة الأرضية، هناك شكوك بجدواها العلمية. وفي واقع الأمر،أن باحثين من جامعة ويسكونسين، معهد تكنولوجيا الاندماج، نجحوا في عام 2004م بإجراء تفاعل اندماجي والحفاظ عليه باستخدام الديوتيريوم (أحد نظائر الهيدروجين والموجود في مياه البحار) والهيليوم 3. لكن الطاقة التي استخدمت في هذا الاختبار فاقت الطاقة المنتجة، وهكذا ليس لها جدوى اقتصادية ضمن الشروط والوسائل التكنولوجية التي توفَّرت في ذلك الاختبار.
ولكن علماء كثيرين شككوا بهذه النتائج، وقالوا إن الاندماج النووي بكليته لم يحصل على الأرض حتى بالعناصر الأخف من الهيليوم 3 مثل الديوتيريوم والتريتيوم نظيري الهيدروجين. ويقول جايانت مورثي الأستاذ في الكلية الهندية للفيزياء الفلكية: "إن اندماج الهيليوم 3 يتطلب حرارة عالية جداً، أعلى بكثير من اندماج الديوتيريوم-التريتيوم، وهو الأساس الذي يُنظر إليه عند البحث عن انصهار الهيليوم 3. وسيكون من الحكمة الانتظار حتى تصبح التكنولوجيا ناضجة قبل التخطيط لاستخراج الهيليوم 3 من القمر".
ويضيف مورثي أنه لا توجد حتى الآن مفاعلات اندماج تجارية. حتى إن تلك الموجودة في الولايات المتحدة وأوروبا، ومنها المدعومة بجهود دولية، هي مخصصة للأبحاث العلمية، ولم يتم تصميمها للعمل على الهيليوم 3.
الهيليوم 3 في الأدب والسينما
سبق للهيليوم 3 واستخراجه من سطح القمر أن ظهر في عدد من الأفلام السينمائية، منها فلْم "القمر" في عام 2009م للمخرج البريطاني دانكين جونز، وفِلْم "السماء الحديدية" وهو إنتاج فنلندي - ألماني – أسترالي مشترك في عام 2012م، ومن إخراج تيمو فيورينسولا؛ و"الكواكب" للمخرج الياباني ماكوتو يوكيمورا في عام 2015م.
كما ظهرت رواية خيالية للكاتب الإنجليزي إيان ماكدونالد في عام 2015م عنوانها "لونا: القمر الجديد". وتستكشف المؤامرة الخطيرة التي تحيكها واحدة من الأسر التي تسيطر على الصناعة في القمر. وقد تم اختيار الرواية لتكون مسلسلاً تلفزيونياً قبل نشرها. وعنوان المسلسل "لعبة العروش في الفضاء". كما ظهرت أيضاً رواية، تطرح الموضوع نفسه، للكاتب الأمريكي بيرس براون، 2016م عنوانها "نجمة الصبح".