Was? Ist die Erde undicht?

Rezensionsexperte: Gan Qiang, Dozent am Beijing Institute of Technology, PhD in Angewandter Chemie

Zuvor gab es Berichte, in denen es hieß: „Wissenschaftler haben entdeckt, dass ein nach dem Urknall entstandenes Helium-3-Gas kontinuierlich aus dem Erdkern nach außen entweicht.“ Dieser Bericht überraschte viele Menschen. Der Erdkern ist in den inneren und äußeren Kern unterteilt. Der äußere Kern ist flüssig, und es wird vermutet, dass der innere Kern fest ist. Es handelt sich um eine hochtemperaturbeständige, hochdichte feste Substanz, die hauptsächlich aus Eisen- und Nickelelementen besteht und eine Temperatur von 4000 bis 6800 °C erreichen kann. Woher also kommt das Helium-3-Gas im Erdkern und warum bereitet es den Wissenschaftlern so große Sorgen?

Schematische Darstellung der Erdstruktur Quelle: Baidu Encyclopedia

Was ist Helium-3?

Freunde, die Chemie studiert haben, wissen , dass Helium ein farbloses, geruchloses und einatomiges Gas mit sehr geringer Dichte ist. Seine chemischen Eigenschaften sind stabil und es reagiert nicht leicht chemisch mit anderen Substanzen . Helium steht im gesamten Periodensystem an zweiter Stelle. Es wird entsprechend der Anzahl der Neutronen im Heliumkern in viele Isotope unterteilt. Auf der Erde besteht die überwiegende Mehrheit der Heliumkerne aus zwei Protonen und zwei Neutronen, also Helium-4, das 99,99986 % aller Heliumelemente auf der Erde ausmacht. Darüber hinaus besteht eine weitere stabile Struktur des Heliumkerns aus nur zwei Protonen und einem Neutron, genannt Helium-3, das lediglich 0,000137 % ausmacht.

Kernstruktur von Helium-4 und Helium-3 Quelle: Baidu Encyclopedia

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Helium-3 im Erdkern und der Entstehung der Erde?

Es gibt viele Möglichkeiten, Helium-3 herzustellen. Beispielsweise können wir es durch den radioaktiven Zerfall von Tritium gewinnen. Allerdings hat Tritium eine lange Halbwertszeit von zwölf Jahren und die Herstellung von Helium-3 auf diese Weise ist sehr ineffizient. Tatsächlich stammt der größte Teil des Helium-3 im Universum aus dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren . Was hat das mit der Entstehung der Erde zu tun?

Nebel im Universum bestehen aus Gas und Staub, hauptsächlich Wasserstoff, gefolgt von Helium und anderen metallischen und nichtmetallischen Elementen. Der Vorgänger des Sonnensystems war ein riesiger, ständig rotierender Nebel.

Sonnennebel Quelle: Baidu Enzyklopädie

In der Wissenschaft wird allgemein angenommen, dass die Erde während der Umwandlung der Sonnennebel in das Sonnensystem entstand. Es sammelte kontinuierlich die im Nebel schwebenden Steine ​​und den Staub und presste sie dann in die richtige Form. Während dieses Entwicklungsprozesses zog die von der Erde erzeugte Schwerkraft die Gase im Nebel zur Erde , und das im Sonnensystem schwebende Helium-3 gelangte auf natürliche Weise in den Erdkern.
Der Nachweis von aus dem Erdkern austretendem Helium-3 ist ein starker Beweis für diese Theorie der Entstehung der Erde.

Helium-3 – der perfekte Brennstoff für die Kernfusion

Wissenschaftler sind nicht nur deshalb so besorgt über Helium-3-Gas, weil es extrem selten ist, sondern – was noch wichtiger ist – weil Helium-3 selbst eine Energiequelle mit enormem Entwicklungspotenzial ist .

Gegenwärtig basiert die menschliche Forschung zur Kernfusion auf Deuterium und Tritium als Kernbrennstoffen. Obwohl die Reaktionsbedingungen dieser beiden Kernbrennstoffe hart sind, sind sie auf der Erde in beträchtlichen Reserven vorhanden und setzen große Mengen Energie frei, was ihnen die Gunst der Wissenschaftler eingebracht hat.

Der Ursprung der Kernfusionsreaktion von Deuterium und Tritium丨Baidu Encyclopedia

Der einzige Nachteil besteht darin, dass beim Fusionsprozess von Deuterium und Tritium eine große Anzahl Neutronen freigesetzt wird. Diese Neutronen selbst sind ladungslos und können nicht durch das Magnetfeld gebunden werden. Diese Neutronen sind extrem energiereich und bombardieren das Material der Innenwand direkt. Dadurch entstehen zahlreiche Defekte auf der Oberfläche des Materials, die die Innenwand beschädigen, die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigen und ein sehr ernstes Sicherheitsrisiko darstellen. Daher hoffen Wissenschaftler, einen sichereren Kernbrennstoff zu finden, um die Entwicklung und Produktion von Kernenergie voranzutreiben.

Helium-3 ist ein solcher nahezu perfekter Kernbrennstoff . Bei der Fusionsreaktion werden keine Neutronen freigesetzt, sondern nur positiv geladene Protonen. Protonen können in einem Magnetfeld wirksam magnetisch eingeschlossen werden, wodurch die Sicherheit von Fusionsreaktionen erheblich verbessert wird und kein übermäßiger Atommüll entsteht. Schade, dass der Helium-3-Gehalt auf der Erde zu gering ist. Die nachgewiesenen Reserven, die für die menschliche Ausbeutung zur Verfügung stehen, betragen lediglich etwa 500 Kilogramm, eine Produktion im großen Maßstab ist schlicht unmöglich. Ist es der Menschheit bestimmt, diesen idealen Kernbrennstoff nicht zur Verfügung zu haben?

Kernfusionsreaktion von Heliumatomen Quelle: Baidu Encyclopedia

Die Antwort liegt auf dem Mond

Auf dem Mond, einem natürlichen Satelliten, der die Erde seit 4,5 Milliarden Jahren begleitet, wurden Reserven von mindestens 1 Million Tonnen Helium-3 nachgewiesen . Diese Reserven reichen beim heutigen Ressourcenverbrauch für die menschliche Nutzung für 10.000 Jahre!

Der Mond übte schon immer eine große Anziehungskraft auf die Menschen aus. Seit Beginn des letzten Jahrhunderts bemühen sich Länder unter Führung der USA und der Sowjetunion intensiv um den Start von Erkundungssatelliten zum Mond. Insbesondere haben die Vereinigten Staaten viele Male Bodenproben vom Mond zu Forschungszwecken mitgebracht und so das Verständnis der Menschheit für den Mond erheblich erweitert.

Im Jahr 2020 wurde die Sonde Chang'e 5 erfolgreich gestartet und absolvierte die erste automatische Probenahme- und Rückführungsmission zum Mond, bei der sie 1.731 Gramm Mondboden zurückbrachte. Durch die Untersuchung dieser Böden gewinnen wir neue Erkenntnisse darüber, wie wir die reichen Helium-3-Vorkommen im Mondboden gewinnen können.

Chang'e 5-Sonde Quelle: Baidu Encyclopedia

Bis heute haben die Menschen jedoch gerade erst begonnen, den Mond zu erschließen, und die Erschließung seiner Ressourcen gestaltet sich äußerst schwierig. Die Methode zur Gewinnung von Helium-3 vom Mond ist im Science-Fiction-Roman „Die Entfernung zur Sonne“ lediglich eine Vermutung.

Ich bin davon überzeugt, dass mit der Weiterentwicklung der Nukleartechnologie und der Luft- und Raumfahrtindustrie auch die Entwicklung von Helium-3 und anderen Ressourcen auf dem Mond möglich sein wird. Vielleicht werden in naher Zukunft Raumschiffe, die zwischen Mond und Erde hin- und herfliegen, der Menschheit reichlich Helium-3-Ressourcen liefern. Bis dahin werden die menschliche Erforschung und das Verständnis des Universums sicherlich eine neue Phase erreichen.