第6章 神奇的氦－3
什么是氦
我们先简单地了解一下：在地球自然界，存在着3He（He-3）和4He（He-4）两种同位素。4He的原子核有2个质子和2个中子，称为玻色子；而3He只有1个中子，称为费米子。20世纪30年代末期，卡皮查发现4He的超流动性。朗道从理论上解释了这种现象，他认为当温度在绝对温度2.17K时，4He原子发生玻色爱因斯坦凝聚，成为超流体，而像3He这样的费米子即使在最低能量下也不能发生凝聚，所以不可能发生超流动现象。金属的超导理论（BCS理论）的提出，使得人们认为在极低温度下3He也可能会形成超流体。但是人们一直未能在实验上发现3He的超流动性。20世纪70年代，戴维·李领导的康奈尔低温小组首次发现了3He的超流动性，不久，其他的研究小组也证实了他们的发现。
3He超流体的发现在天体物理学上有着奇特的应用。人们使用相变产生的3He超流体来验证关于在宇宙中如何形成所谓宇宙弦的理论。研究小组用中微子引起的核反应局部快速加热超流体3He，当它们重新冷却后，会形成一些涡旋球。这些涡旋球就相当于宇宙弦。这个结果虽然不能作为宇宙弦存在的证据，但是可以认为是对3He液体涡旋形成的理论的验证。3He超流体的发现不仅对凝聚态物理的研究起了推动作用，而且在此发现过程中所使用的磁共振的方法，开创了用磁共振技术进行断层检验的先河，今天磁共振断层检验已发展成为医疗诊断的普遍手段。
氦－3神奇在哪里
氦－3是氦的同位素，含有2个质子和1个中子。它有着许多特殊的特性。当氦－3和氦－4以一定的比例相混合后，通过稀释制冷理论，温度可以降低到接近绝对零度。在温度达到2.18K以下的时候，液体状态的氦－3还出现“超流”现象，即没有黏滞性，它甚至可以从盛放的杯子中“爬”出去。然而，当前氦－3最被人重视的原因还是它作为能源的潜力。氦－3可以和氢的同位素氘发生核聚变反应，但是与一般的核聚变反应不同，氦－3在聚变过程中不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，既环保又安全。
开发利用氦－3
开发利用月球土壤中的氦－3，将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一。
从20世纪90年代开始，人类掀起了新一轮的探月高潮，在这次探月高潮中，氦－3成为世人共同的目标。但是，月球氦－3的形成和分布特征、储量和应用，仍是月球科学研究中亟待解决的问题，只有通过大量的探测和重返月球野外实地考察，才能获得较为满意的回答。
1.氦－3的形成机理
月球表面的土壤是由岩石碎屑、粉末、角砾岩、玻璃珠组成的，其结构松散且相当软。月海区的土壤一般厚4～5米，高地的土壤较厚，但也不超过10米。月球土壤的粒度变化范围很宽，大的几厘米，小的只有一毫米或微米级，这些细土一般称为月尘。月球土壤中细小的角砾岩及玻璃珠，约占70％，小颗粒状玄武岩及辉长岩约占13％。惰性气体在月球玄武岩和高地角砾岩中含量极低，大气中就更低，几乎为零。然而，月壤和角砾岩中氢气元素则相当丰富。这是由于太阳风的注入，太阳风实际上是太阳不断向外喷射出的稳定的粒子流。1965年“维那3号”火箭对太阳风的化学组成进行了直接测定，结果显示，太阳风粒子主要是由氢离子组成的，其次是氦离子。由于外来物体对月球表面撞击，使月壤物质混杂，在探达数十米的范围内存在着这氢气元素。太阳离子注入物体表面的深度，通常小于0.2微米。因此，这些元素在月壤最细颗粒中含量最高，大部分注入气体的粒子堆积粘合成月壤角砾岩或黎聚在玻璃珠的内部。氦大部分集中在小于50微米的富含钛铁矿的月壤中。
2.氦－3的利用前景
月球上的氦－3所能产生的电能，相当于1985年美国发电量的4万倍，考虑到月壤的开采、排气、同位素分离和运回地球的成本，氦－3的能源偿还比估计可达1∶250。这个偿还比和铀235生产核燃料（1∶20）及地球上煤矿开采（偿还比约1∶16）相比，是相当有利的。
此外，从月壤中提取1吨氦-3，还可以得到约6300吨的氢、70吨的氮和1600吨碳。这些副产品对维持月球永久基地来说，也是必需的。俄罗斯科学家加利莫夫认为，每年人类只需发射2～3艘载重10吨的宇宙飞船，即可从月球上运回大量氦－3，供全人类作为替代能源使用1年，而它的运输费用只相当于目前核能发电的几十分之一。据加利莫夫介绍，如果人类目前就开始着手实施从月球开采氦－3的计划，大约30～40年后，人类就能实现月球氦－3的实地开采并将其运回地面，该计划总的费用将在2500万～3000万美元。
有人提出，可不可以不将氦－3运回地球，而是直接在月球上建立核能源基地，通过电能传输到静止轨道上的中断卫星，再传送到位于地球的接收站，然后分配到各个地区，供用户使用呢？科学家们预测，在月球上建立核电站并保持其正常工作，难度要比从月球上运回原料氦－3在地球上发电大得多。
“嫦娥一号”卫星搭载的探月仪器探测月球土壤厚度与元素含量是该探测卫星工作的重要内容。氦－3作为最有潜力的新能源，也是我国探卫星获取其资源信息的重要内容。