Oamenii de știință au descoperit o resursă imensă rară pentru fuziune nucleară chiar pe Pământ

Oamenii de știință au găsit dovezi că o resursă rară, heliu-3, e de zece ori mai răspândită pe Pământ decât se știa până acum – deși nu se cunoaște sursa acestui surplus. Descoperirea e importantă pentru că heliu-3 ar putea reprezenta o sursă nelimitată de energie curată pentru civilizația noastră, dar până acum era considerată inaccesibilă, pentru că se găsea în principal în locații extraterestre, cum ar fi Luna.

Heliu-3 e un izotop al heliului, ceea ce înseamnă că are același număr de protoni ca acest element comun, dar un număr diferit de neutroni. Izotopul e considerat o sursă puternică de energie pentru fuziunea nucleară, ceea ce înseamnă că e o resursă foarte valoroasă. 

Acum, echipa de oameni de știință dirijată de Benjamin Birner, un doctorand specializat în geofizică la Universitatea San Diego din California, a strâns dovezi că în atmosferă există o abundență de heliu-3, ceea ce motivează începerea unei investigații cu privire la sursele de heliu-3 de pe Pământ, mai ales că heliu-3 e considerată o resursă importantă, dar foarte rară, conform unui studiu publicat luni în Nature Geoscience. Sursele cunoscute de heliu-3 de pe Pământ constituie doar zece la sută din surplus, conform cercetătorilor.

Birner și colegii lui au descoperit întâmplător acest surplus de heliu-3 (3He) în timp ce se ocupau de altă problemă: măsurau cu cât a crescut nivelul heliului în atmosferă din cauza consumului de combustibil fosil. Echipa a inaugurat o tehnică specială pentru estimarea acestor emisii de heliu antropogen prin examinarea unui alt izotop, heliu-4 (4He), care a dus la concluzia neașteptată că există un surplus de heliu-3 pe planeta noastră.

„Am măsurat schimbările nivelului atmosferic de 4He și am descoperit că proporția de heliu izotopic din atmosferă (3He/4He) e stabil. Ceea ce înseamnă că, dacă ar fi crescut doar nivelul de 4He, am fi observat o schimbare în rata de heliu izotopic”, a zis Birner într-un e-mail.

Heliu-3 ar putea fi combustibilul ideal pentru fuziunea nucleară, o potențială sursă de energie curată care imită același proces care alimentează stelele. Deși până acum fuziunea nucleară nu s-a materializat ca sursă de energie, e un domeniu foarte studiat, pentru că are un potențial enorm. Din acest motiv, oamenii de știință sunt foarte interesați să localizeze acest surplus de Heliu-3 de pe Pământ.

„E derutant că nu avem o explicație pentru acest surplus, mai ales că e o rezervă atât de rară”, a zis Birner.

Heliul e al doilea cel mai ușor și mai răspândit element în natură după hidrogen, dar poate fi produs și prin consumul de combustibil fosil de către oameni, în special prin consumul de gaze naturale. Heliul aparține categoriei de gaze nobile, care nu au reacții cu alte substanțe. Din acest motiv, nu e considerat gaz cu efect de seră sau un poluant periculos, spre deosebire de alte emisii antropogene precum dioxidul de carbon sau metanul. Dar, deși heliul atmosferic nu contribuie la încălzirea globală, ajută la urmărirea altor emisii periculoase.

„Nivelul de heliu din atmosferă ne informează cât de mult combustibil fosil utilizăm. Încă din 1980, oamenii au suspectat că în atmosferă ar trebui să existe o rezervă mare de 4He, dar nu existau dovezi clare.”

„Eu și colegii mei am lucrat o vreme cu gazele nobile ca indicatori ai schimbării temperaturii oceanului, dar nu am aplicat aceeași strategie și cu heliul. A fost un pas logic cumva, pentru că, datorită legăturii lui cu consumul de combustibil fosil, heliul e un gaz nobil interesant de studiat”, a adăugat el.

„Studiile anterioare au făcut estimări cu privire la heliul antropogen cu ajutorul proporției dintre 3He și 4He, dar e dificil, pentru că 3He se găsește în cantități foarte mici”, a notat Birner.

Ca să rezolve această problemă, echipa a dezvoltat o metodă sofisticată care măsoară proporția de 4He față de gazul nitrogen (N2), care e cel mai abundent element din atmosferă și a avut o concentrație relativ stabilă în timp.

Abordarea noastră nu doar că evită măsurarea izotopului rar 3He, ceea ce îmbunătățește precizia măsurătorilor, ci și normalizează abundența de 4He față de N2, a zis Birner, care a condus anul trecut un alt studiu despre tehnici de măsurare a elementelor atmosferice.

„N2 a fost foarte stabil în atmosferă, ceea ce înseamnă că 4He/N2 e un indicator al concentrației de heliu. 3He/4He se poate schimba pentru că se schimbă numitorul sau numărătorul”, a notat el.

Echipa lui a aplicat această tehnică nouă pe 46 de mostre atmosferice colectate între 1974 și 2020 și a produs estimări noi cu privire la schimbările nivelului de heliu-4 din atmosferă. Așa au aflat că a crescut semnificativ concentrația de heliu-4 în ultimele cinci decenii, iar asta înseamnă că a crescut și nivelul de heliu-3.

„Când am început, nu știam cât de mare o să fie proporția de heliu din atmosferă și dacă o vom putea măsura. Ne-a luat trei ani ca să dezvoltăm metoda analitică pentru 4He/N2 și abia mai târziu am realizat ce implicații are treaba asta și pentru nivelul de 3 He. A fost o surpriză pentru noi”, a zis Birner.

„Proporția de 3He e de zece ori mai mare decât se știa până acum. Știm că 3He e produs și de descompunerea tritiului. Tritiul e emanat atunci când se fac teste de bombe nucleare sau e produs chiar în anumite uzine nucleare, dar acesta e responsabil doar de zece la sută din surplusul de 3He. Nu se știe de unde provine restul.”

Birner și colegii lui speră să afle care e sursa acestui surplus de 3He, fie că e naturală sau antropogenă, și plănuiesc să aplice noua lor tehnică pentru a găsi diverse surse de gaze cu efect de seră antropogene pe Pământ și să stopeze încălzirea globală.

Heliul ne poate ajuta să verificăm proporția de emisii de carbon rezultate din gaze naturale față de alte surse precum cărbunele sau petrolul. „Oamenii de știință fac adesea așa-numite inversiuni ca să depisteze emisiile de dioxid de carbon. În cadrul unei inversiuni, folosesc concentrații observate de CO2 în locuri diferite și deduc cât de mari au fost emisiile de carbon încât să rezulte respectivele concentrații.”

„Dacă măsori doar CO2-ul, inversiunea o să-ți spună fluxul de CO2, dar dacă folosești heliu, poți să-ți dai seama cât din dioxidul de carbon provine din arderea gazului natural, pentru că heliul e asociat cu gazele naturale și nu cu alte surse de emisii precum traficul. Acum lucrez la dezvoltarea metodei ca să pot detecta schimbările locale de heliu din San Diego. Sunt sigur că, după câteva modificări, vom avea suficientă precizie cât să observăm cum variază zilnic concentrațiile de heliu”, a concluzionat el.