Магнитно-резонансная томография
С момента своего появления в медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) стала одним из важнейших методов диагностики, позволяющим увидеть «изнутри» различные органы без повреждений.
Около 70% массы тела человека приходится на водород, ядро которого, протон, имеет определенный спин и связанный с ним магнитный момент. Если протон поместить во внешнее постоянное магнитное поле, то спин и магнитный момент ориентированы либо по полю, либо против него, и энергия протона в первом случае будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему строго определенную энергию, равную разности этих энергетических уровней, например, облучив его квантами электромагнитного поля определенной частоты.
Самый простой и прямой способ намагнитить гелий-3 — охладить его в сильном магнитном поле. Однако эффективность этого метода очень низкая, к тому же он требует сильных магнитных полей и низких температур. Поэтому на практике используется метод оптической накачки — передачи спина атомам гелия от поляризованных фотонов накачки. В случае гелия-3 это происходит в два этапа: оптическая накачка в метастабильном состоянии и спиновый обмен между атомами гелия в основном и метастабильном состояниях.
Технически это реализуется путем облучения кюветы с гелием-3, переведенным в метастабильное состояние слабым высокочастотным электрическим разрядом, лазерным излучением круговой поляризации в присутствии слабого магнитного поля. Поляризованный гелий можно хранить в сосуде, футерованном цезием, при давлении 10 атмосфер около 100 часов.
Именно так работает МРТ-сканер, только он не обнаруживает отдельные протоны. Если поместить образец, содержащий большое количество протонов, в сильное магнитное поле, то количество протонов с магнитным моментом, направленным вдоль и против поля, будет примерно равным. Если мы начнем облучать этот образец электромагнитным излучением строго определенной частоты, то все протоны с магнитным моментом (и спином) «по полю» повернутся и займут положение «против поля».
При этом происходит резонансное поглощение энергии, а в процессе возвращения в исходное состояние, называемое релаксацией, происходит переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление называется ядерным магнитным резонансом, ЯМР. Средняя поляризация вещества, от которой зависит полезный сигнал в ЯМР, прямо пропорциональна силе внешнего магнитного поля. Для получения сигнала, который можно обнаружить и отделить от шума, требуется сверхпроводящий магнит — только он может создать магнитное поле с индукцией порядка 1—3 Тл.
Экономическая выгода
Но в долгосрочной перспективе возможен гораздо больший спрос на гелий-3. Это может сделать добычу полезных ископаемых на Луне экономически выгодной. Гелий-3 можно использовать в качестве топлива для термоядерных реакторов. Почти все экспериментальные термоядерные реакторы используют в качестве топлива смесь дейтерия и трития (ДТ). Но когда эти два изотопа водорода сливаются вместе, всегда высвобождается высокоэнергетический нейтрон.
Эти нейтроны не могут быть отклонены магнитными полями. Поэтому они сталкиваются со стенками реактора и запускают там ядерные реакции. Это делает корпус реактора радиоактивным. И это вынуждает через определенное время утилизировать его — так же, как и радиоактивные отходы. Поэтому термоядерные электростанции не такие уж «чистые», как иногда утверждают.
Но слияние двух атомов гелия-3 не приводит к появлению радиоактивности. В результате этой реакции образуются два протона и один атом гелия-4, которые можно удерживать на расстоянии от стенок реактора магнитными полями. Также возможен синтез гелия-3 с дейтерием. Он дает немного больше энергии, но неизбежный синтез ядер дейтерия (ДД) снова даст нейтроны, тритий и, следовательно, некоторую радиоактивность. Хотя она значительно меньше, чем в реакции DT. Но проблема в том, что обе реакции с гелием-3 требуют гораздо более высоких температур, чем реакция DT.
По этой причине экспериментальные термоядерные реакторы, существующие сегодня и планируемые к разработке в ближайшем будущем, не могут использовать гелий-3 в качестве топлива. В лучшем случае проблема температур не могла быть решена до разработки второго поколения рассматриваемых реакторов. Но в любом случае идея привлекательна. Сегодняшний мировой спрос на электроэнергию можно удовлетворить всего за 200-300 тонн гелия-3 в год. Если бы вы могли удовлетворить сегодняшнюю глобальную потребность в электроэнергии из существующих коммерческих запасов гелия-3, они были бы израсходованы всего за 6 часов. Весь гелий-3 в атмосфере будет израсходован за столетие.
Магнитный газ
МР-томография «видит» протонные кластеры, поэтому отлично подходит для изучения и диагностики мягких тканей и органов, содержащих большое количество водорода (преимущественно в виде воды), а также позволяет различать магнитные свойства молекул. Таким способом, например, можно отличить артериальную кровь, содержащую гемоглобин (основной переносчик кислорода в крови), от венозной крови, содержащей парамагнитный дезоксигемоглобин — это основа фМРТ (функциональной МРТ), которая позволяет отслеживать активность нейронов в головном мозге.
Но, к сожалению, такая замечательная методика, как МРТ, совершенно не подходит для исследования наполненных воздухом легких (даже если наполнить их водородом, сигнал от газообразной среды с низкой плотностью будет слишком слаб на шумовом фоне). А мягкие ткани в легких не так хорошо видны с помощью МРТ, потому что они «пористые» и содержат мало водорода.
Можно ли обойти это ограничение? Это возможно, если использовать «замагниченный» газ — в этом случае средняя поляризация не будет определяться внешним полем, так как все (или почти все) магнитные моменты будут ориентированы в одном направлении. И это вовсе не вымысел: в 1966 году французский физик Альфред Кастлер получил Нобелевскую премию с формулировкой «За открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах». Он обращался к вопросам оптической поляризации спиновых систем — то есть просто «намагничиванию» газов (особенно гелия-3) с помощью оптической накачки при резонансном поглощении циркулярно поляризованных фотонов.
Ядерный магнитный резонанс использует магнитные свойства ядер водорода — протонов. Без внешнего магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы произвольно (как на первом рисунке). При приложении сильного магнитного поля магнитные моменты протонов ориентируются параллельно полю — либо «вдоль», либо «против». Эти две позиции имеют разные энергии . Импульс радиочастоты с резонансной частотой, соответствующей разности энергий, «поворачивает» магнитные моменты протонов «против» поля. После окончания радиочастотного импульса происходит обратный «переворот» и протоны излучают на резонансной частоте. Этот сигнал принимается радиочастотной системой томографа и используется компьютером для построения изображения.
Главная технологическая проблема
На пути к созданию энергии на основе гелия-3 есть одна важная проблема. Дело в том, что дейтерий-гелий-3 реакцию реализовать намного сложнее, чем дейтерий-тритиевую.
Во-первых, воспламенить смесь этих изотопов крайне сложно. Расчетная температура, при которой будет происходить термоядерная реакция в дейтериево-тритиевой смеси, составляет 100-200 миллионов градусов. При использовании гелия-3 необходимая температура на два порядка выше. По сути, нам нужно зажечь маленькое солнце на земле.
Однако история развития атомной энергетики (последние полвека) показывает рост генерируемых температур на порядок за 10 лет. В 1990 году на европейском токамаке JET уже сжигали гелий-3, при этом получалась мощность 140 кВт. Примерно в то же время американский токамак TFTR достиг температуры, необходимой для начала реакции в дейтериево-гелиевой смеси.
Но зажечь смесь – это полдела. Недостатком термоядерной энергетики является трудность достижения практического выхода, так как рабочим телом является плазма, нагретая до многих миллионов градусов, которую необходимо удерживать в магнитном поле.
Эксперименты по укрощению плазмы проводятся уже много десятилетий, но только в конце июня прошлого года в Москве представители ряда стран подписали соглашение о строительстве Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) на юге Франции в город Кадараш, прототип практической термоядерной электростанции. ИТЭР будет использовать дейтерий с тритием в качестве топлива.
Термоядерный реактор на гелии-3 был бы конструктивно сложнее ИТЭР, и его пока нет даже в проектах. И хотя специалисты надеются, что в ближайшие 20-30 лет появится прототип реактора на гелии-3, пока эта технология остается чистой фантазией.
Вопрос производства гелия-3 был проанализирован экспертами в ходе слушаний по будущему исследованию и освоению Луны, состоявшихся в апреле 2004 года в Подкомитете по космосу и аэронавтике Комитета по науке Палаты депутатов Конгресса США. Их вывод был однозначным: даже в отдаленном будущем добыча гелия-3 на Луне совершенно невыгодна.
Как сказал Джон Логсдон, директор Института космической политики в Вашингтоне: «Космическое сообщество США не рассматривает добычу гелия-3 как серьезное оправдание для возвращения на Луну. Лететь туда за этим изотопа, это как посылать Колумба в Индию за ураном пятьсот лет назад. Он может принести, и принес бы, только несколько сотен лет никто не знал бы, что с этим делать».
Применение изотопа гелий-3
Этот изотоп, в отличие от своего тяжелого аналога гелия-4, обладает совершенно другими физическими свойствами. К ним относятся различная атомная масса, температура кипения, удельная теплота парообразования и плотность жидкости. В результате гелий-3 высоко ценится в научных и промышленных кругах и имеет несколько применений:
- Криогеника. Растворение жидкого изотопа гелия-3 в более тяжелом гелии-4 приводит к сверхнизким температурам, около 0,02 Кельвина. На основе этого процесса существует ряд криогенных устройств, таких как рефрижераторы растворения. Последний используется в различных низкотемпературных физических экспериментах, причем не только в криогенике.
- Лекарство. Рентгеновские лучи или магнитно-резонансная томография (МРТ) используются для визуализации легких человека. Оба эти метода открыты давно, и качество получаемых снимков легких оставляет желать лучшего. В надежде пойти дальше, американские ученые изобрели ядерную МРТ с использованием намагниченного газа ксенона-129. Позже выяснилось, что, в отличие от ксенона-129, гелий-3 безвреден для человека, поэтому можно делать снимки с разрешением в сотни раз лучше. Кроме того, гелий-3 не требует дорогого обогащения и дорогих мощных томографов.
- Ядерная физика. Гелий-3 имеет большое сечение поглощения нейтронов и поэтому является основной частью нескольких возможных газовых наполнителей для счетчиков (детекторов), регистрирующих нейтроны в различных физических экспериментах. Такие счетчики можно использовать и для обнаружения запасов плутония, что ужесточит меры защиты от перевозки топлива для ядерного оружия.
Дышите глубже
Использование поляризованных газов в медицине было разработано группой исследователей из Принстонского и Нью-Йоркского университетов в Стоуни-Брук. В 1994 году исследователи опубликовали в журнале Nature статью, показывающую первое МРТ-изображение легкого мыши.
Правда, МРТ не совсем стандартная — методика основывалась на отклике не ядер водорода (протонов), а ядер ксенона-129. Кроме того, газ был не совсем обычным, а гиперполяризованным, то есть заранее «намагниченным». Так родился новый диагностический метод, который вскоре стал применяться в медицине.
Гиперполяризованный газ (обычно смешанный с кислородом) поступает в самые наружные уголки легких, позволяя получить МРТ-изображение с разрешением, на порядок превышающим лучшие рентгеновские снимки. Можно даже построить подробную карту парциального давления кислорода в каждой области легких и затем сделать выводы о качестве кровотока и диффузии кислорода в капиллярах. Данная методика позволяет изучить характер легочной вентиляции у астматиков и контролировать процесс дыхания у критических больных на уровне альвеол.
Как работает МРТ. Сканер МРТ обнаруживает скопления протонов — ядра атомов водорода. Поэтому МРТ показывает различия в содержании водорода (преимущественно воды) в разных тканях. Существуют и другие способы отличить одну ткань от другой (например, различия в магнитных свойствах), которые используются в специализированных исследованиях.
Этим преимущества МРТ с использованием гиперполяризованных газов не ограничиваются. Поскольку газ гиперполяризован, уровень полезного сигнала значительно выше (примерно в 10 000 раз). Это означает, что нет необходимости в сверхсильных магнитных полях, и приводит к разработке так называемых слабопольных МРТ-сканеров — они дешевле, мобильнее и намного вместительнее. В таких установках используются электромагниты, создающие поле порядка 0,005 Тл, что в сотни раз слабее, чем у стандартных магнитно-резонансных томографов.
Читайте также: Как сложилась судьба самых известных участниц шоу «Беременна в 16»
Проекты добычи гелия-3
Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров. Реголит лунного океана богаче гелием, чем реголит плато. 1 кг гелия-3 содержится примерно в 100 000 тонн реголита.
Поэтому для извлечения драгоценного изотопа необходимо переработать огромное количество осыпающегося лунного грунта.
Учитывая все особенности, технология производства гелия-3 должна включать следующие процессы:
- Добыча реголита.
Специальные «комбайны» будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиной ок. 2 м и доставить на пункты переработки или переработать непосредственно в процессе добычи.
- Выделение гелия из реголита.
При нагреве реголита до 600°С выделяется (десорбируется) 75% гелия, содержащегося в реголите; при нагреве до 800°С выделяется почти весь гелий. Пылевой нагрев предлагается проводить в специальных печах, а фокусировать солнечный свет либо пластиковыми линзами, либо зеркалами.
- Доставка на Землю многоразовыми кораблями.
При добыче гелия-3 из реголита также извлекаются многие вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, окись углерода, которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.
Проект первого лунного сарая, предназначенного для переработки реголита и извлечения из него изотопа гелия-3, был предложен группой Дж. Кульчинского. В настоящее время частные американские компании разрабатывают несколько прототипов, которые, видимо, будут отправлены на конкурс после того, как НАСА определится с особенностями будущей экспедиции на Луну.
Понятно, что помимо доставки комбайнов на Луну, они должны построить складские помещения, обитаемую базу (для обслуживания всего комплекса техники), космодром и многое другое. Однако считается, что высокие затраты на создание развитой инфраструктуры на Луне хорошо окупятся в связи с тем, что грядет глобальный энергетический кризис, когда традиционные виды энергоносителей (уголь, нефть, природный газ) быть заброшенным.
Маленькое препятствие
Хотя первые эксперименты в этой области проводились с гиперполяризованным ксеноном-129, вскоре он был вытеснен гелием-3. Он безвреден, дает более четкие изображения, чем ксенон-129, и имеет в три раза больший магнитный момент, что приводит к более сильному сигналу ЯМР. Кроме того, обогащение ксенона-129 из-за близости массы к другим изотопам ксенона является дорогостоящим процессом, а достижимая поляризация газа значительно ниже, чем для гелия-3. Кроме того, ксенон-129 оказывает успокаивающее действие.
Распространенность гелия-3
В Солнечной системе самые большие запасы гелия-3 находятся в недрах газовых гигантов, таких как Юпитер или Сатурн. В отличие от звезд, постоянно вырабатывающих этот изотоп, ближайшие к нам планеты-гиганты получили его на стадии формирования, и сейчас они лишь хранят в своих слоях запасы гелия-3.
На Земле этот изотоп распространен в небольших объемах, примерно в 7300 раз меньше, чем гелий-4. Масса гелия-3 в атмосфере Земли оценивается всего в 35 000 тонн, тогда как общая масса атмосферы составляет 5,2 × 1015 тонн. Постепенно этот изотоп улетает в космос, но небольшой его запас лежит в недрах нашей планеты и выходит в небольших количествах из различных трещин земной коры и вместе с вулканическими извержениями, что позволяет пополнять объем в атмосфере.
Гелий-3 как термоядерное топливо
Несмотря на полезность этого изотопа для вышеперечисленных направлений, главы государств рассматривают его в первую очередь как термоядерное топливо.
Как известно, современные атомные электростанции используют цепную ядерную реакцию, в результате которой происходит распад ядер с выделением энергии. Термоядерный реактор, синтезирующий более тяжелое вещество с выделением энергии, имеет ряд преимуществ перед ядерным реактором, работа которого основана на реакциях распада:
Использование гелия-3 в реакторах снижает риск повторения Чернобыльской катастрофы
- Минимальная вероятность внезапного скачка силы реакции в термоядерном реакторе.
- Нет продуктов горения.
- Для работы термоядерного реактора не требуется топливо, которое используется для разработки ядерного оружия. Это не допустит террористической деятельности, производства термоядерного топлива для оружия под предлогом извлечения энергии из этого топлива.
- Радиоактивные отходы, образующиеся в таких реакторах, менее вредны для окружающей среды, а также имеют гораздо более короткий период полураспада.
- Водород, служащий топливом для термоядерных реакторов, можно извлекать из морской воды, а значит, он существует на Земле в практически неисчерпаемом объеме.
Несмотря на то, что термоядерный реактор в ближайшее десятилетие не будет использоваться в коммерческих целях, ученым уже удалось выяснить перспективы гелия-3 в качестве будущего топлива для таких реакторов.
Первым аргументом в пользу использования этого изотопа в управляемом ядерном синтезе является тот факт, что в результате реакции будет испускаться в десять раз меньший поток нейтронов. Это позволит не только избежать значительной направленной радиоактивности, но и значительно увеличить срок службы оборудования.
Вместо нейтронов такой реактор будет излучать протоны, что является вторым аргументом в пользу гелия-3. В отличие от нейтронов протоны легко можно использовать для получения дополнительной энергии (в магнитогидродинамическом генераторе).
Кроме того, гелий-3 не представляет опасности при хранении и не требует больших затрат на обслуживание, а в случае аварии на реакторе радиоактивность при выбросе будет практически нулевой. Для сравнения, реакция ядерного синтеза с участием гелия-3 будет производить количество энергии, эквивалентное энергии, высвобождаемой в результате сжигания 15 миллионов тонн нефти.
По оценкам американских ученых, 40 000 кг гелия-3 достаточно для выработки электроэнергии, потребляемой Соединенными Штатами в течение года. В 2009 году тот же изотоп рассчитывался на отметке 930 долларов за литр .
