Что человечество может "вытолкнуть" в космос?

[AlexAV]

Нет, Алекс, я понимаю, что вы хорошо подкованы в вопросах физики, техпроцессов, биохимии и т.д. и что вы обрушите всю свою "тяжёлую артиллерию"  на того, кто посмел задеть "вашу тонкую изнасилованную душу" (как выразился другой участник). Но надобно иногда уметь признавать свою неправоту.

Я Вам указал какого рода факты способны легко опровергнуть мою точку зрения. Дайте мне ссылку на образец вещества астероида с содержанием соответствующей компоненты соответствующие стандартам промышленного месторождения. Если такой образец есть - надо признать, что месторождения соответствующего типа найти там шансы есть. Если таких образцов нет - тогда и говорить не о чем.

Вы в этом плане ничего не привели. А это и значит, что фактов нет.

P.S. Ваше удивление в связи с тем, что отдельные зерна породы бывают обогащены каким-то элементов по сравнению со средней концентрацией в породе - мне не понятно.Различные вещества имеют ограниченную растворимость друг в друге и совершенно неизбежно будут кристаллизоваться формируя собственную фазу. Малые примеси между этими фазами распределяются в зависимости от соотношения их химических потенциалов там. Это типично для любой горной породы. Скажем любой кусок гранита содержит зёрна например кварца, слюды, ортоклаза,  циркона и т.д с разным соотношением элементов. И вполне естественно, что гафния и тория в отдельном зерне циркона будет намного больше, чем в породе в среднем.  Т.е. это совершенно самоочевидная вещь. Вот только никаким доказательством возможности наличия месторождений это не является совершенно. Наличие отдельных зёрен чистого циркона не делает гранитную щебёнку циркониевой рудой.

[AlexAV]

Кроме никелистого железа. Объясните, откуда берутся фрагменты никелистого железа, обогащённого, например, молибденом до 26%? Или вольфрамом до 2%? Или платиной до 35%?

Статистические флуктуации в среде. Это опять же совершенно типичное явление для любой горной породы. Во многих дунитах на земле скажем можно найти зёрна из чистого осмирида (сплав осмия и иридия), при том что концентрация осмия и иридия в самой породе будет просто ничтожно мала. И найдя такое зерно ведь никто не делает вывод, что рядом находится гора из чистого осмия и иридия. Здесь всё также.

[AlexAV]

сновной вклад в деградацию материалов любых поверхностей(и солнечных панелей в частности) вносят протоны высокой энергии(галактические лучи, солнечный ветер, выбросы корональных масс).

Возможно... Мне правда встречалось что вроде как основной вклад вносят микрометориты и (на земной орбите) атомарный кислород термосферы Земли.

[AlexAV]

А вот платину в дунитах, расматривают как реальный источник.

В принципе её там не особо меньше чем в некоторых рудах (часто всего в несколько раз), а запасы этих дунитов фактически неисчерпаемы. Только большая часть там в довольно малоудобоваримой форме изоморфной примеси (зерна там тоже есть всегда, но это меньшая часть). В принципе если появится вменяемая технология извлечения платиноидов в такой форме (пока её нет) - это действительно закроет вопрос с ними навсегда.

[AlexAV]

Есть ли ссылочка, подтверждающая ваше утверждение о зёрнах чистого осмиридия посреди зёрен, например, платины в какой либо силикатной матрице?

Вот, например (отсюда). Вот микрофотография.


Там где циферка 3 состав:
Ru - 56.26%
Rh - 3.44%
Os - 1.94%
Ir - 1.30%
Pt - 0.00%

Т.е. практически один рутений (обращаю внимание ещё на платину - её нет вообще с точность до третьего знака после запятой).

А теперь где цифра пять:

Ru - 7.52%
Rh - 5.87%
Os - 28.82%
Ir - 53.87%
Pt - 7.89%

А теперь рутения мало, а преобладает осмий и иридий. Обращаю внимание, что много платины. Её содержание по сравнению с соседним кристалликом выросли более чем в тысячу раз.

А это очень близкие по свойствам металлы причём на масштабе двух кристалликов одного сростка.

Отличие в концентрации в тысячи раз даже по близким по свойствам металлам в кристаллах, формирующихся в одном образце - нормальная и совершенно обычная ситуация. Далеко идущих выводов отсюда не следует.

P.S. Ещё добавлю среднее содержание металлов в образце породы где находилось зерно:

Os - 2.302ppm
Ir - 1.197ppm
Ru -4.517ppm
Rh - 0.214ppm
Pt - 0.333 ppm
Pd - 0.024ppm

Вполне очевидно, что содержание иридия в зерне до 450 тыс. раз больше чем в породе. Т.е. тоже вполне обычная ситуация.

[AlexAV]

Я к стати насчет этого не в курсе. Вы не путаете дуниты с оливином?

Оливин - минерал. Дунит - горная порода (правда на самом деле на 90% состоящая из оливина ). Соотношение такое же как между гранитом и ортоклазом (в граните ортоклаза около 65%).

[AlexAV]

Вообщем я понял, меня просто смутила фраза о неисчерпаемости.

Выкопать только Войкаро-Сыньинский массив площадью несколько тысяч квадратных километров и мощностью до 8 км - это будет совершенно невероятный подвиг. А ведь он не один.

[AlexAV]

Пожалуйста.
Оказывается, рассеяные элементы концентрируются не только в рамках отдельной микрогранулы в матрице, но и в рамках целых метеоритов. Что противоречит вашим возражениям. Так что надежда на сравнительно лёгкую добычу вообще почти всей таблицы Менделеева всё же есть. Пруф прилагается.

Вообще-то я это видел. Если вы обратили внимание я именно эту концентрацию и указал как максимальную наблюдаемую для меди.

Но степень концентрации весьма не высокая. Т.е. отношение содержания к кларку где-то 5-10 (содержание для некоторых типов метеоритного вещества приводится 185 ppm). Опять же речь идёт видимо о крайне редкой породе (т.е. это уникальный образец).

P.S. Несколько уточню свою позицию. Вещество астероидов в плане концентрации элементов должно напоминать магнатические породы земли. Локальные концентрации здесь встречаются. Иногда даже достигая уровня пригодного для добычи, т.е. формируя месторождения. Однако такие месторождения как правило достаточно бедные и что более существенно - их очень мало по отношению к общему количеству породы в литосфере (кроме того так могут быть сконцентрированы лишь некоторые их них).

Если переходить к астероидам, то сразу надо принять во внимание, что их совокупная масса просто физически меньше массы литосферы земли. Если эффективность концентрации элементов там соизмерима с тем, что имеет место в магматических породах земли (а для иного нет никаких предпосылок). То формации богатые элементами там принципиально конечно возможны, но совокупные запасы в них будут в миллиарды раз меньше, чем формальное количество элемента в поясе, и скорее всего в разы меньше (для большинства элементов) чем в месторождениях Земли, которые мы умудрились съесть всего за сто лет.

Однако на Земле есть некоторые лазейки, которые позволяют как-то эту проблему обойти (в возможность использовать породу качества щебёнки как рудное сырьё хоть на земле хоть в космосе  я не верю). Т.е. некоторые типы месторождений (осадочные, некоторые геотермальные, биогенные, природные рассолы) имеют свойство возобновляться на достаточно малом масштабе времени. И если вписать свои потребности в их возможности по воспроизводству ресурсов - так жить можно условно вечно.

На астероидах же (а также других геологически мёртвых телах) никого возобновления нет. Тот (вероятно не очень большой, меньше исходно имеющегося на Земле) запас ресурсов будет неизбежно диссипировать и теряться, а после его исчерпания дальнейшая жизнедеятельность станет невозможной. С учётом наших текущих запросов речь  здесь идёт даже не о геологически, а исторически коротких сроках. Столетия может быть максимум.

Для меня это один из основных аргументов почему долгосрочное существование цивилизации возможна только на планета с высокой активностью в её геологических оболочках (литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере).

[AlexAV]

куда же денутся вещества из пояса астероидов в результате постулируемого вами исчерпания? Улетят к другим звёздам что ли?

Даже если вещество не расходуется, то оно в процессе использования рассеивается. Переходит в неудобоваримую и практически неизвлекаемую форму.

Но это на планете, откуда ничего не улетает. А с астероидов будут идти и настоящие необратимые потери вещества. Азот и вода утекающие со станции, рабочее тело ракетных двигателей и т.д. будут выноситься солнечным ветром к звёздам. Малые частицы выброшенные в космос будут в следствии эффекта Пойнтинга-Робертсона падать на Солнце.

К этому времени уже будут созданы колонии в поясе Койпера и в Облаке Оорта

Вы уверены, что они вообще пригодны к освоению? Там просто с энергетикой глобальные проблемы. Солнышка там уже нет.

Придётся как-то это обосновать.

Оно перед Вами. Значительную часть извлекаемых ресурсов Земли мы сожрали всего за 100 лет. Меньше количество ресурсов астероидов при больших затратах (вы ведь согласны, что на астероидах жить в любом случае дороже чем на Земле?) на сильно больший срок явно не хватит.

Но на земле потенциально можно жить экономнее, а на астероидах нет.

[AlexAV]

Как насчёт дифференциации протопланет?

В силу малого срока этой стадии (десятки, может быть сотня миллионов лет) и малой гравитации тем вроде Цереры и Весты процесс крайне грубый, т.е. заключающейся исключительно в механическом разделении железа и силиката. Для более тонких процессов вроде бародиффузии недостаточно ни массы ни времени (для тела размером с землю масштаб времени на котором их влияние будет начинать чувствоваться около миллиарда лет).

На основании чего вы делаете такой вывод?

Так кроме флуктуаций при первичной кристаллизации там и потенциальных механизмов обогащения не видно (гравитационная дифференциация на таких масштабах масс и времён - это только грубое разделение железа от силиката).

Опять же фактические данные говорят о достаточно малом диапазоне колебаний содержания элементов в макроскопических образцах (ну несколько раз или порядок от среднего уровня), и он едва ли больше чем различие между кислыми и основными породами на земле. Это скорее говорит скорее в пользу достаточно невысокой эффективности тех механизмов концентрации элементов, которые там работали.

[AlexAV]

Транспорт груза на 1000 км будет эдак в миллион раз дешевле в джоулях, чем на Земле.

Так на астероидах нет этого порядка расстояний. Оно меряется астрономических единицах (хорошо, долях астрономических единиц ) если между соседними астероидами или в единицах- десятках километров если на одном. Понятно, что наиболее крупные астероиды и малые планеты (Церера, Веста и т.д.) - исключение.

Транспорт между соседними астероидами как раз получится дороже транспорта на Земле между соседними регионами (если скажем взять характерный масштаб расстояний в 1000 км).

P.S. Расход энергии на электрофицированой железной дороге около 12 кВт ч / 1000 т км.

[AlexAV]

Для транспорта между астероидами можно использовать катапульты(к примеру центробежные) Одни разгоняют, другие захватывают с поглащением энергии. Затраты рабочего тела исключительно на коректировку траектории.

Центробежная (если использовать вращение астероида и пращу) может давать приращение вектора скорости только в одной плоскости (плоскости нормальной к оси вращения). Если требуется компонента перпендикулярная к ней  - её добавлять придётся уже только реактивными двигателями.

[AlexAV]

Не понял - на какую единицу массы?

Перемещение одной тонны груза на 1000 км требует 11,9 кВтч элетроэнергии при использовании электрической тяги или 6,8 кг топлива при использовании тепловой (данные по РЖД).

Т.е. удельный расход энергии получается (для электротяги) 42,8 кДж/кг (для расстояния в 1000 км).

[AlexAV]

Та же вода на Церере. Ее там вроде больше чем во всех океанах Земли.

Меньше, хотя всё равно много. Её количество там оценивается как 200 млн. км3 (на Земле около 1460 млн. км3).

[AlexAV]

Это интересный момент. Либо быстрое исчерпание невосполнимого рабочего тела для ракет и малые затраты энергии, либо экономия рабочего тела и относительно большие затраты энергии.

Можно попытаться использовать то чего много и не очень жалко (скажем серу). Например топливные пары типа дисульфон (H2S2)/кислород. Водорода немного, а серы с кислородом не очень жалко.

УИ невысокий, но большой здесь и не нужен.

[AlexAV]

И никаких проблем с отсутствием месторождений.

Откуда такая уверенность, что это вообще работать будет?  Распределение малых компонент между паровой и конденсированной фазой идёт отнюдь не пропорционально температурам кипения, а в зависимости от химического потенциала компоненты в конденсированной среде. Кроме того есть понятие азеотропов.

Т.е. где лабораторный демонстратор или хотя бы термодинамический расчёт, показывающий, что так вообще что-то можно разделить?

Опять же проблема материалов для такой колонки. Углерод отпадает сразу (он со многими оксидами прекрасно реагирует). А другие материалы, способные работать при такой температуре - можно перечислить по пальцам одной руки. Вольфрам, рений,осмий, тантал. Пожалуй и всё.  Все относятся к группе дефицитных и особо дефицитных. Кроме того они при интересующей нас температуре начинают довольно сильно испаряться. А это значит будет заметная их потеря в связи с деградацией камеры и уходом её материала в шлак.

Кроме того бесплатность энергии в солнечной печи - иллюзия. Деградация концентраторов, механизмов управления и элементов печи никуда не исчезает. Фактически работа существующих таких печей дороже электрических. Их используют иногда только там, где имеются особые требования на чистоту продукта.

[AlexAV]

3) Пускай оксиды реагируют с углеродом. Так даже лучше

Не лучше. При этой температуре углерод начинает реагировать со всем подряд. С оксидом кремния, щелочноземельных металлов, про оксиды железа я даже не говорю. В результате на тонну вещества астероида будет расходоваться сотни килограмм углерода с образованием огромного количества (преимущественно) угарного газа. Что с ним делать? Стравливать в космос? Или пытаться собирать и рециклить? Но во втором случае забудьте про бесплатный вакуум. Его придётся поддерживать вакуумными насосами, а это весьма дорого как по материалам так и по энергии. Кроме того, превратить угарный газ обратно в элементарный углерод не такая простая и весьма затратная по энергии задача.

 

2) Можно нагревать также постепенно, даже необязательно тогда до 3000o, достаточно нагреть немного ниже температуры возгонки самой тугоплавкой компоненты.

При 2000 (а ниже испарение идёт совсем вяло) подобрать материал сильно не тривиальная задача тоже. К выше перечисленному списку добавляется ещё молибден, ниобий, иридий, рутений, гафний и пожалуй оксид циркония (с сильной натяжкой ещё оксид скандия). Помимо материала тигля ещё есть проблема материала окон для ввода солнечного излучения. И здесь из всех кандидатов при 2000 градусов как-то подходит только фианит. И тот будет быстро деградировать.

[AlexAV]

Самым дешёвым по трудозатратам, но не по энергии, будет испарение вещества астероида сфокусированным солнечным светом, и последующая сепарация образовавшейся низкотемпературной плазмы при помощи калютрона, благо что вакуум вокруг халявный и высочайшей степени очистки!

С помощью солнечного нагрева невозможно получить сколько-нибудь сильно ионизованную плазму (так выше 5800 никогда и ничего не нагреть, для плазмы со сколько-нибудь пристойной степенью ионизации это очень мало).

[AlexAV]

Как я понимаю, фракционная перегонка вещества астероидов по EROEI срастается в первом грубом приближении. Значит жить в поясе астероидов всё-таки можно.

По какому EROEI и как срастается? Даже при 2000 градусов там всё должно быть сделано из крайне редких (для астероидов элементов). Молибден, вольфрам, оксид циркония и т.д. И никаких альтернатив в природе не существует. Ресурс конструкции будет измеряться только тысячами часов. Скажем те же фианитовые окна будут испаряться по 2 мм/1000 часов (при 2000 градусов).

Причём даже при этой температуре КПД процесса будет ничтожен. Скорость испарения вещества в вакууме мощно оценить как:



\mu -  скорость испарения [г/м2 с]
\alpha - коэффициент прилипания молекул (обычно \alpha близок к 1)
m_0 - молекулярная масса вещества [г/моль]
P - давление насыщенного пара [Па]
V_{av} -  средняя газокинетическая скорость молекул [м/c]
R - универсальная газовая постоянная
T - температура

Давление паров для такого довольно типичного вещества как оксид кальция при 2000 градусов 3 Па. Т.е. скорость испарения около 2 г/ м2 с. Паразитные же потери энергии в следствие излучения будут 907 кВт/ (м2 с). Итого на испарение вещества будет тратиться 454 кДж/г (на фоне потерь на излучение собственно теплотой испарения можно пренебречь). Т.е. установка производительностью 1 тонна в сутки должна иметь (без учёта потерь на зеркалах и прохождение окон) площадь собирающей поверхности (при интенсивности солнечного излучения 300Вт/м2) в 1,8 га. В действительности учитывая поглощение на зеркалах, отражение и поглощение на окнах ещё раза в два побольше.

Опять же в вещества нет такого понятия как температура при которой оно начинает сублимировать. Все вещества испаряются при любой температуре но с разной скоростью. При перегонке у вас будет деление на лётучую и мало летучую фракции. При этом обогащение по компонентам будет пропорционально соотношению давления паров компонент. А оно отличается не так сильно. Скажем у оксида кальция при 2000 градусов - 3 Па, а у оксида лантана 1Па. Т.е. разделение на узкие фракции за один цикл сделать невозможно, потребуются десятки циклов.

В силу крайней энергоёмкости процесса (из-за низкой скорости испарения и сильного лучевого переноса при высоких температурах), его низкой скорости, значительных потерь в процессе редких веществ (циркония, вольфрама и других материалов конструкции), малого ресурса установки - такой подход кажется совершенно негодным. Чистый сон разума.

[AlexAV]

Оценку EROEI для турбины как наиболее энергонапряжённого узла давал ув. Skipper здесь. На этом я и основываюсь.

Что касается самой турбины - цифры можно принять как реалистичные.

А вот оценка:

Вот Ваша оценка переработки астероидного вещества. Пусть солнечный свет 100 Вт/м2, тогда получается 1-10 МДж/кг вещества. На мой взгляд, маловато (например, теплота испарения кремния 14 МДж/кг), но пусть будет 10 Мдж/кг.

избыточно оптимистичная. По трём причинам:
1) Не учтено, что при достижимых температурах теплота испарения - лишь незначительная часть энергии, которая будет расходоваться в системе. Из-за сравнительно низкой скорости испарения и высокой температуры, основной канал - паразитный перенос теплового излучения из испарителя в зону конденсации. Расход энергии будет на 1-2 порядка больше, т.е. не около 14 МДж/кг, а ближе к 100-1000 МДж/кг.
2) Не учтено, что однократная перегонка не способна дать узкие фракции. Т.е. таких перегонок потребуются десятки. Ещё добавляем порядок.
3) Деградация материалов печи в условиях, что большая их часть представлена именно витаминными материалами (это неизбежное следствие очень высоких температур и химической агрессивности среды).

И того. Затраты энергии на переработку занижены минимум на два-три порядка. Учёт же третьего пункта вероятно превратит вообще всю деятельность в обезьянью. Т.е. чтобы извлечь килограмм циркония придётся расходовать больше циркония (за счёт деградации конструкции печи), чем добываем.