Helium-3: de zeldzame maangrondstof die een nieuwe energiebron belooft
Helium-3 is een lichte, ongevaarlijke gassoort die lijkt op het helium waarmee feestballonnen worden gevuld, maar met één belangrijk verschil: de atoomkern mist een neutron. Dat kleine verschil maakt het stofje bijzonder interessant voor wetenschappers die werken aan kernfusie, de energieopwekking die ook de zon aandrijft. Op aarde is helium-3 extreem schaars, maar op de maan ligt het, verspreid in het stof, in veel grotere hoeveelheden.
Stel je twee identieke sleutels voor die bijna hetzelfde slot openen, maar één sleutel heeft een inkeping minder. Die ene inkeping maakt het verschil tussen een sleutel die overal past en een sleutel die net een ander slot opent. Zo is het ook met helium-3 ten opzichte van gewoon helium: chemisch nagenoeg identiek, maar in een kernreactor gedraagt het zich compleet anders, met potentieel schonere energie als resultaat. Die belofte, gecombineerd met de aanwezigheid op de maan, heeft van helium-3 een onderwerp gemaakt dat zowel natuurkundigen als ruimtevaartorganisaties bezighoudt.
Wat is het precies?
Elk atoom heeft een kern met protonen en neutronen. Gewoon helium, ook wel helium-4 genoemd, heeft twee protonen en twee neutronen. Helium-3 heeft ook twee protonen, maar slechts één neutron. Zo'n variant van een element met een afwijkend aantal neutronen heet een isotoop.
Op aarde is helium-3 zeldzaam omdat het grotendeels is vervlogen uit de dampkring of pas recent ontstaat bij het verval van tritium, een stof die onder andere wordt gebruikt in kernwapens. Op de maan ligt dat anders. De zon stuurt voortdurend een stroom geladen deeltjes de ruimte in, de zonnewind, en daar zit ook helium-3 tussen. De aarde heeft een magneetveld en een dikke atmosfeer die dit grotendeels tegenhouden, maar de maan heeft geen van beide. Daardoor boort de zonnewind zich al miljarden jaren in het maanstof, de regolith, en is daar helium-3 opgestapeld.
De echte interesse zit in kernfusie: het samensmelten van lichte atoomkernen tot een zwaardere kern, waarbij energie vrijkomt. De meeste experimentele fusiereactoren, zoals het internationale project ITER in Frankrijk, gebruiken waterstofvarianten deuterium en tritium. Die reactie is relatief makkelijk op gang te brengen, maar produceert veel snelle neutronen die reactormaterialen op termijn radioactief maken. Een reactie tussen deuterium en helium-3 levert vooral geladen deeltjes op, protonen en helium-4 kernen, en veel minder neutronen. Dat heet een aneutronische reactie. Minder neutronen betekent minder activering van materiaal en, in theorie, de mogelijkheid om energie direct om te zetten in elektriciteit zonder omweg via stoom en turbines. De keerzijde is dat deuterium-helium-3 fusie veel hogere temperaturen nodig heeft dan de deuterium-tritium variant, ruwweg tien keer zo heet, wat de techniek lastiger maakt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel is een energiebron die veel schoner is dan huidige kernsplijting en die, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen, geen CO2 uitstoot. Fusie op basis van helium-3 wordt daarbij gezien als een mogelijke volgende stap na de eerste generatie fusiereactoren, juist vanwege de beperkte neutronenproductie en de daarmee samenhangende lagere radioactieve belasting van de installatie zelf.
Daarnaast speelt een geopolitiek en economisch motief mee. Omdat helium-3 op de maan aanwezig is en op aarde nauwelijks, wordt het gezien als een potentiële grondstof die de maan economisch interessant maakt. Landen en bedrijven die vroeg instappen op het gebied van maanverkenning en -exploitatie, hopen een voorsprong te krijgen mocht grootschalige winning ooit haalbaar en rendabel worden. Dat verklaart waarom helium-3 regelmatig opduikt in plannen voor bemande maanmissies en maanbases, ook al is commerciële winning nog niet aan de orde.
Voorbeelden uit de praktijk
Tijdens de Apollo-missies (1969-1972) namen Amerikaanse astronauten maanstof mee naar aarde. Analyse van die monsters liet voor het eerst zien dat er helium-3 in het regolith zit, wat de basis legde voor latere schattingen van de totale hoeveelheid op de maan.
China bracht met de Chang'e-5-missie in 2020 opnieuw maanmonsters naar aarde, de eerste sinds de jaren zeventig. Chinese onderzoekers hebben deze monsters onder meer gebruikt om de concentratie en verdeling van helium-3 in het maanoppervlak preciezer in kaart te brengen, als onderdeel van bredere Chinese ambities rond grondstoffen op de maan.
Het Amerikaanse bedrijf Helion Energy, opgericht in 2013 en gevestigd in de staat Washington, ontwikkelt een fusiereactor die werkt met een gepulste magnetische techniek en die deels leunt op de deuterium-helium-3 reactie. Het bedrijf kondigde in 2023 een samenwerking aan met Microsoft, met als ambitie elektriciteit uit fusie te leveren vanaf 2028. Of die planning wordt gehaald, is nog onzeker; fusietijdlijnen zijn in het verleden vaker opgeschoven.
Interlune, een Amerikaanse start-up opgericht in 2020 door onder anderen een voormalig topman van Blue Origin, richt zich specifiek op het winnen van helium-3 uit maanregolith. Het bedrijf heeft aangekondigd stappen te zetten richting testmissies voor winningsapparatuur, al moet grootschalige, commerciële winning nog worden bewezen.
Ook de Amerikaanse Artemis-missies van NASA, gericht op een hernieuwde bemande aanwezigheid op de maan, worden regelmatig in verband gebracht met toekomstig onderzoek naar en mogelijk gebruik van lunaire grondstoffen zoals helium-3, al ligt de directe focus van Artemis vooralsnog op verkenning en wetenschap, niet op grondstofwinning.
Hoe ver is de techniek?
Kernfusie in het algemeen bevindt zich nog in de onderzoeksfase. Experimenten zoals ITER en kleinere nationale faciliteiten moeten nog aantonen dat fusie op schaal meer energie oplevert dan er structureel in gestoken wordt, inclusief alle ondersteunende systemen. Voor de gangbare deuterium-tritium fusie is in laboratoriumomstandigheden al een netto energiewinst gemeten, maar een werkende, commerciële centrale bestaat nog niet.
Fusie specifiek op basis van helium-3 staat verder achter. De benodigde hogere temperaturen en de relatieve zeldzaamheid van bruikbare hoeveelheden helium-3 maken het een technisch zwaardere opgave. Bedrijven zoals Helion werken met kleinere hoeveelheden helium-3 die ze deels zelf tijdens het proces kweken uit deuterium-deuterium reacties, in plaats van te vertrouwen op import vanaf de maan.
Het winnen van helium-3 uit maanregolith is nog nergens buiten laboratoriumcondities gedemonstreerd. De concentraties in het maanstof zijn laag, in de orde van enkele delen per miljard, wat betekent dat grote hoeveelheden regolith verwerkt moeten worden om bruikbare hoeveelheden gas te verkrijgen. Daarnaast is er nog geen infrastructuur om het gas vanaf de maan naar de aarde te transporteren. Kortom: zowel de fusietechniek als de maanwinning bevinden zich in een pril, experimenteel stadium, met reële kans dat tijdlijnen verschuiven.
Wie werken eraan?
Op het gebied van fusieonderzoek in het algemeen zijn de Verenigde Staten, de Europese Unie, Japan, Zuid-Korea, Rusland, India en China betrokken bij het internationale ITER-project in Frankrijk. Daarnaast lopen er nationale programma's, zoals bij het Amerikaanse ministerie van Energie en diverse Europese onderzoeksinstituten.
Specifiek rond helium-3 en maanwinning is China actief via zijn ruimtevaartorganisatie CNSA en de Chang'e-missies, als onderdeel van plannen voor een internationaal maanonderzoeksstation. De Verenigde Staten zijn betrokken via NASA en het Artemis-programma, aangevuld met particuliere bedrijven. Helion Energy en Interlune zijn de bekendste Amerikaanse private spelers die respectievelijk fusietechniek en maanwinning van helium-3 nastreven. Ook andere fusiestart-ups, vaak gefinancierd met durfkapitaal, verkennen varianten op aneutronische fusie, al is deuterium-tritium wereldwijd nog altijd de meest bestudeerde route.