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月球氦-3气体还能医用?或能挽救更多肺疾患者

如果有人问你,月球、核武器、未来清洁能源、恐怖主义以及肺病之间有什么共同之处?答案是氦-3(helium-3),这种气体在地球上极其稀有,但其在月球上的含量却比地球上丰富1亿倍。

图:宇航员站在月球表面上

2018年10月,美国洛克希德-马丁公司(Lockheed Martin)宣布了一种登月飞行器的概念,这种飞行器可能在未来10年帮助人类重返月球。而在最近,中国的“嫦娥四号”探测器成功登陆月球背面。登陆月球最深的陨石坑,中国实现了太空探索历史上的“第一次”。

与此同时,本月晚些时候,印度的“月船二号”(Chandrayaan-2)太空探测器也将登陆月球表面。它的目标之一是找到价值数万亿美元的氦-3矿藏,因为这种物质可以成为核聚变能源发电或推动火箭的燃料。

核工程师试图实现可持续聚变的标准方法是使用地球上储量更丰富的燃料——氘和氚。但是,麻省理工学院的研究人员发现,在混合物中加入少量的氦-3可以使其效率更高,从而帮助其更快地成为一种可行的能源。

即使核聚变在明天就被证明是可行的,但任何核能生产都需要等待几十年时间以建设核电站。然而,开采氦-3现在可能就有用,因为它也有非能源用途。氦-3能够探测到来自钚的中子,这些中子可能被用于恐怖袭击。其原理是:法医仪器中含有少量的氦-3。当中子撞击氦-3原子时,反应产生氚、质子和电荷,提醒研究人员钚可能就在附近。

具有讽刺意味的是,随着本世纪初全球对潜在核材料的担忧加剧,地球上氦-3的供应也随之增加。这是因为氦-3来自于用于热核弹头(氢弹)的氚衰变。数以千计的这类武器已经从美国和俄罗斯武器库中拆除,使氦-3可以用于钚的探测、研究和其他应用,包括在医疗保健领域。

氦-3可以帮助医生诊断肺部疾病,因为它可以实时成像肺部图像。氦-3极大地提高了医生对哮喘、慢性阻塞性肺病、肺气肿、囊性纤维化以及支气管肺发育不良(尤其是早产儿)等多种疾病的肺部成像能力。具体地说,氦-3在磁共振成像(MRI)中很有用,而MRI是一种从体内生成图像用于诊断的程序。

但是,虽然标准的MRI可以让医生看到身体的某些部位,比如心脏或大脑,但它对透视肺部无用。因为肺里充满了空气,空气的密度比水或脂肪小得多,所以实际上不会产生任何能够成像的信号。为了解决这个问题,病人可以吸入超极化气体,这意味着通过特殊的程序增强信号,这样来自肺部的磁共振信号最终就能被读取。

当这种气体与足够的氧气混合达到可以维持生命的程度时,吸入它是安全的。氦-3就是一种超极化气体。由于它能产生非常强烈的信号,MRI可以清晰地看到肺内和所有气道中的空气,揭示出支气管肺树的复杂细节。可以实时地显示肺部和气道的解剖细节,以及在患者呼吸时显示功能成像的能力,使氦-3 MRI远远优于检测肺功能的标准方法。

传统检测方法被称为肺活量测定法,它告诉医生患者肺脏的整体功能,但不会对可能造成问题的特定区域进行检测。另外,肺活量测定法需要患者遵循指示并屏住呼吸,因此对患有肺部疾病的幼儿来说效果不是很好。

近年来,氦-3在地球上的价格飞涨。在过去几年里,研究人员始终在开发MRI技术,利用其他超极化气体进行肺部测试。氦-3的主要替代品是氙-129。多年来,研究人员已经学会克服后者的某些缺点,比如它可能会让患者入睡。由于氦-3提供了最强的信号,它仍然是许多肺部条件下MRI研究的最佳气体。

但近年来,由于核弹头拆解率的下降,地球上氦-3的供应始终在减少,美国国土安全部要求越来越多的氦-3气体用于中子探测。结果,这种气体的价格飞涨。现在可供医疗用途的资源越来越少,当然,除非我们开始在月球上采矿。问题是:这些好处是否值得人类跋涉38万公里的旅程登陆月球?

本文来源:网易科学人 责任编辑:乔俊婧_NBJ11279

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