УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА ГЕЛИЯ-3
DEVICE FOR COLLECTION OF HELIUM-3

Изобретение относится к сфере космических технологии и космической техники и может быть использовано для изготовления устройств для сбора гелия-3 на Луне, а также для наземной экспериментальной отработки указанных технологий и устройств.
Из уровня техники известно устройство для сбора гелия-3 из газов, выделяющихся совместно с гелием-3 и гелием-4 из реголита, который нагревают солнечными лучами с помощью гелиоконцентратора, установленного на средстве лунной подвижной техники, снабженном подвижной механической частью, причем солнечные лучи концентрируют на поверхности реголита, а над местом концентрации солнечных лучей с помощью подвижной механической части размещают резервуар, снабженный системой охлаждения и компрессором, при этом системой охлаждения снабжено обращенное в сторону реголита воронкообразное устье резервуара. Система охлаждения выполнена охлаждающей смесь газов до перевода газов, кроме гелия, в жидкое состояние. Воронкообразное устье выполнено открытым в расширенной части /RU 2680851 C1; F25J 3/08; 14.05.2018; 28.02.2019/.
Выполнение системы охлаждения охлаждающей смесь газов до перевода газов, кроме гелия, в жидкое состояние, оставляет гелий в газообразном состоянии, что приводит к тому, что в резервуар гелий-3 собирается в смеси с гелием-4, что снижает эффективность сбора гелия-3 на Луне. Выполнение воронкообразного устья открытым в расширенной части не позволяет использовать воронкообразное устье для разделения гелия-3 и гелия-4, что также снижает эффективность сбора гелия-3 на Луне.
Задачей изобретения является повышение эффективности сбора гелия-3 на Луне.
Указанная задача решена за счет того, что в устройстве для сбора гелия-3 из газов, выделяющихся совместно с гелием-3 и гелием-4 из реголита, который нагревают солнечными лучами с помощью гелиоконцентратора, установленного на средстве лунной подвижной техники, снабженном подвижной механической частью, причем солнечные лучи концентрируют на поверхности реголита, а над местом концентрации солнечных лучей с помощью подвижной механической части размещают резервуар, снабженный системой охлаждения и компрессором, при этом системой охлаждения снабжено обращенное в сторону реголита воронкообразное устье резервуара, система охлаждения выполнена охлаждающей гелий-4 до сверхтекучего состояния, а воронкообразное устье выполнено герметично закрываемым в расширенной части.
Изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных отличительных признаков: выполнением системы охлаждения охлаждающей гелий-4 до сверхтекучего состояния; выполнением воронкообразного устья герметично закрываемым в расширенной части.
Указанная совокупность существенных отличительных признаков позволяет повысить эффективность сбора гелия-3 на Луне.
Изобретение поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 схематично изображено устройство для сбора гелия-3, общий вид на стадии сбора газов, выделяющихся из реголита; на фиг. 2 - то же, на стадии разделения гелия-3 и гелия-4.
Устройство содержит гелиоконцентратор 1, установленный на средстве лунной подвижной техники 2, снабженном подвижной механической частью 3. Солнечные лучи концентрируют на поверхности реголита 4, при этом над местом концентрации солнечных лучей с помощью подвижной механической части 3 размещают резервуар 5 с обращенным в сторону реголита 4 воронкообразным устьем 6, снабженным системой охлаждения 7 и компрессором 8. Резервуар 5 снабжен клапаном 9. Воронкообразное устье 6 выполнено герметично закрываемым в расширенной части, например, крышкой 10.
Нагрев поверхности реголита 4 выполняют в лунных условиях с помощью гелиоконцентратора 1, под которым понимается одна или несколько линз и/или зеркал, собирающих солнечные лучи для повышения плотности солнечной радиации. Гелиоконцентратор 1 может иметь гладкую непрерывную или прерывистую поверхность и представлять собой систему подвижных и/или неподвижных, искривленных и/или плоских зеркал и/или линз, в т.ч. надувных из полимерных прозрачных и металлизированных пленок /Большая советская энциклопедия, третье изд., т. 6, стр. 195-196, столбцы 573-574/. При нагреве до 600°С десорбируется 75% содержащегося в реголите гелия-3, при нагреве до 800°С - 95% гелия-3 /Техника - молодежи, 2006, №4, стр. 4, столбец 2/.
Гелий-3 и гелий-4 из смеси газов, выделяющихся из реголита 4 при его нагреве, собирают методом глубокого охлаждения смеси, отделяя гелий на основе его свойства сжижаться труднее всех остальных газов. для этого используют систему охлаждения 7. Выделяющиеся из реголита 4 газы, кроме гелия, контактируя с системой охлаждения 7 воронкообразного устья 6 и переходя в жидкое состояние, конденсируются на поверхности воронкообразного устья 6. Гелий, оставаясь в газообразном состоянии, направляемый внутренней поверхностью воронкообразного устья 6, вследствие своей легкости поднимается из нижней /широкой/ части в верхнюю /узкую/ часть воронкообразного устья 6, в которой размещен компрессор 8, и собирается в резервуар 5.
Наполненный гелием-3 и гелием-4 резервуар 5 переворачивают воронкообразным устьем 6 вбок или вверх и выключают систему охлаждения 7. Конденсировавшиеся на поверхности воронкообразного устья 6 сопутствующие газы переходят в газообразное состояние и покидают поверхность воронкообразного устья 6, перемещаясь в лунный вакуум. Для ускорения этого процесса воронкообразное устье 6 может быть сориентировано широкой частью по направлению к солнечным лучам.
После освобождения воронкообразного устья 6 от конденсата сопутствующих газов приступают к разделению гелия-3 и гелия-4. Холодные условия Луны упрощают задачу разделения: поверхность реголита 4 перед восходом остывает до 100 К, а в тени даже достижима "температура открытого космоса" - 4 К /Техника - молодежи, 2006, №4, стр. 4, столбец 2/. Резервуар 5 перемещают в тень, разворачивают расширенной частью воронкообразного устья 6 вбок и герметично закупоривают расширенную часть воронкообразного устья 6, например, крышкой 10. Затем открывают клапан 9 резервуара 5 и включают систему охлаждения 7 до охлаждения гелия-4 до сверхтекучего состояния - ниже 2,1 К /Техника - молодежи, 2006, №4, стр. 4, столбец 2/. Для разделения изотопов используют свойство сверхтекучести жидкого гелия-4, который может самостоятельно перетечь в соседнюю емкость, оставив после себя только несвехтекучий гелий-3 /Наука и жизнь, 2004, №8, стр. 16, левая колонка/. Герметичная крышка 10 создает из воронкообразного устья 6 сообщающуюся через клапан 9 с резервуаром 5 закрытую емкость, в которую перетекает сверхтекучий гелий-4.
После перетекания гелия-4 клапан 9 резервуара 5 закрывают, а крышку 10, наоборот, открывают, выключая систему охлаждения 7. Гелий-4 переходит в газообразное состояние и перемещается в лунный вакуум. В резервуаре 5 остается гелий-3, который может в дальнейшем храниться в сжатом или сжиженном состоянии.
Крышка 10 может быть сопряжена с воронкообразным устьем 6 или выполнена раздельной, надеваемой на стадии разделения гелия-3 и гелия-4. Подвижная механическая часть 3 может быть выполнена, например, в виде манипулятора.
Изобретение осуществляют с помощью известных методов и средств.
Выполнение системы охлаждения 7 охлаждающей гелий-4 до сверхтекучего состояния за счет различия свойств сверхтекучего гелия-4 и несверхтекучего гелия-3 позволяет путем охлаждения отделить гелий-4 от гелия-3, оставив в резервуаре 5 гелий-3, что повышает эффективность сбора гелия-3 на Луне. При этом выполнение воронкообразного устья 6 герметично закрываемым в расширенной части позволяет создать связанную с резервуаром 5 закрытую емкость, в которую перетекает сверхтекучий гелий-4 из резервуара 5, в котором остается гелий-3, что также способствует повышению эффективности сбора гелия-3 на Луне.