Что человечество может "вытолкнуть" в космос?

[Retired]

Логика в этом есть. Но вспомним, что сегодня мы обычно топим в океане спутники или транспортные корабли, связные с МКС. А это гораздо более сложные и тяжёлые машины, чем то, что мы можем сделать из "астероидной руды" даже при значительных затратах. Пока мы столь расточительны, и 90% КА лежат в Тихом океане или на орбите захоронения без возможности повторного использования - зачем возить какую-то руду с астероидов? А ещё мы думаем, как на 15-20% уменьшить стоимость выводимой полезной нагрузи... Да мы не умеем пользоваться даже той полезной нагрузкой, которую в течение истории запустили с Земли! Земля окружена неутилизируемой свалкой металлолома на десять поколений вперёд (там и золото, и платина в чистом виде, в виде готовых деталей!), а мы мечтаем о какой-то астероидной руде, думаем как золото и платину из бруска оливина по нанограмму выжимать...

Боб:
1. ИСЗ отслужившие свой ресурс - это рассеянный металлом, утилизировать его - все равно что добывать бензин соскребая его пленку с лужи около бензоколонки или собирать гайки на обочине трассы.
2. Драгмет в спутниках есть, но только в радиодеталях, до него еще добраться надо.
3. И в чем преимущество закидывания руды на ВЭО Земли? Лучше сразу на Землю

[Андрей Курилов]

Да, Луна - наименьшее из зол среди остальных крупных объектов СС. Есть проблемы с добычей необходимых веществ, с энергией, с рикошетами метеоритов. Энергию можно добывать массивом высоких башен с поршнями. Лунным днём они прогреваются до 350К и содержимое башен расширяется, поднимая тяжёлые поршни и совершая работу.Ночью башни остывают и поршень в них опускается, также совершая работу.

Есть возможность, стартуя с Луны, выполнить гравиманёвр у Земли, получив лишние ~5 км/с к скорости аппарата - не помешает для полётов по СС.

[Retired]

массивом высоких башен с поршнями. Лунным днём они прогреваются до 350К и содержимое башен расширяется, поднимая тяжёлые поршни и совершая работу.Ночью башни остывают и поршень в них опускается, также совершая работу

А более подходящей тепловой машине не?

[Андрей Курилов]

Как я понимаю, фракционная перегонка вещества астероидов по EROEI срастается в первом грубом приближении. Значит жить в поясе астероидов всё-таки можно. В качестве транспорта между астероидами последней идеей было использовать "каменно-абляционный" солнечный двигатель. При температуре испарений камня в 3000^oK скорость истечения будет 1000..1500 м/с.

[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.

[Андрей Курилов]

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

И вообще я предлагал не возгонять, а плавить породу с разделением фракций по плотности (как в доменной печи). Наиболее тугоплавкая фракция не плавится при этом вовсе, а остаётся твёрдой. Её выгоднее будет разделять, думаю, химическим или электролитическим путём.

[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.

[Андрей Курилов]

Ещё раз говорю - можно обойтись без возгонки исходного вещества.

[AlexAV]

Ещё раз говорю - можно обойтись без возгонки исходного вещества.

Вот отсюда поподробнее.

Т.е. как именно вы будите осуществлять разделение с помощью прямого нагрева без испарения.

На самом деле для разделения существует только два вменяемых метода. Первый дробление породы и физическое разделение зёрен различных минералов по магнитным свойствам, плотности, поверхностному натяжению на границе с жидкостью (флотация) и т.д. Кстати ошибочно думать, что этот процесс бесплатный. Кроме того осуществлять большинство из них на земле проще и дешевле чем в космосе. Здесь большинство названных "плюсов" сразу превращаются в существенные минусы. Скажем низкая (почти отсутствующая) гравитация и отсутствии бесплатных сред вроде воздуха и воды.

Второй перевод компоненты в раствор или в форму летучего соединения (скажем уже упомянутого карбонила). Растворы дальше можно разделять богатым арсеналом средств химического разделения (соосаждение, ионная сорбция, экстракция и т.д.). Летучие вещества (по настоящему летучие, а не силикаты, которые даже при 2000 очень медленно испаряются) - ректификацией.

Естественно здесь надо рассматривать каждую  компоненту в отдельности и строить для неё технологическую цепочку. Всякие идеи универсального разделителя - технологическая утопия. Если и возможно, то крайне дорого.   

P.S. Кстати на земле есть задача для которой такой универсальный разделитель очень нужен, и где даже высокие затраты по энергии приемлемы -  это переработка ОЯТ. Так вот даже в этой области не удалось предложить пока ничего вменяемого. Точнее лучшее что рассматривается - плазменное разделение. Но там затраты энергии на уровне 20кэВ на переработанный атом (правда для атомной энергетики даже это приемлемо).

Если бы Ваш универсальный "самогонный аппарат" для перегонки малолетучих веществ был бы сколько-нибудь технически осуществим, его бы уже давно использовали в ядерной энергетике. Но почему то это никто не делает (т.е. из перспективных нехимических методов рассматривается только плазменные методы).

[Андрей Курилов]

Вот отсюда поподробнее.

Постепенный нагрев и извлечение жидких фракций (зейгерование). Перед этим, естественно, дробление и магнитное разделение. Многие интересные астероидные минералы проявляют магнитные свойства лишь при нагревании до определённой температуры. Вкупе это позволит уже весьма неплохо разделить исходную "руду" на десятки фракций разного состава. Опосля отбираем тепловую энергию и получаем электричество турбогенераторами.

Касательно переработки ОЯТ. Метод химического разделения веществ для ОЯТ непригоден по причине большого кол-ва радиоактивных отходов. В нашем случае это - не проблема.

[AlexAV]

Постепенный нагрев и извлечение жидких фракций (зейгерование).

Очень грубый метод. Годится только для разделения наиболее массовых компонент (проценты-десятки процентов). И лишь при их низкой взаимной растворимости. Т.е. попросту железо от камня. Даже никель и железо так разделить невозможно.

Если компоненты взаимно растворимы - вообще ничего не выйдет. Ну и для отделения малых компонент (концентрация которых измеряется в ppm-ах) естественно совершенно не пригоден (тоже железо в количестве нескольких ppm растворяет практически любые металлы, при его плавлении среда перейдёт в гомогенный раствор откуда вообще что-то выделить будет сложно). А практически все оксиды так или иначе растворимы в расплаве оксида кремния.

Растворы же зейгерованим не разделяются (если на фазовой диаграмме нет областей, где раствор становится пересыщенным и распадается на несколько фаз, но при концентрации несколько ppm на это надеяться не стоит).

Метод химического разделения веществ для ОЯТ непригоден по причине большого кол-ва радиоактивных отходов.

Тем не менее пока это самый массовый метод, тот  же PUREX (просто за отсутствием вменяемых альтернатив).

[AlexAV]

Многие интересные астероидные минералы проявляют магнитные свойства лишь при нагревании до определённой температуры.

Минерал - это обычно однородная фаза (раствор или химическое соединение). Путём зейгерования его дальнейшее фракционирование невозможно. Т.е. если вы отделили из породы отдельную минеральную компоненту пытаться из неё что-то выделить плавлением бессмысленно.

[Андрей Курилов]

Зейгерованием не разделяются только эвтектические растворы. Но эвтектические растворы легко выводятся из равновесия и металлы выходят из растворённого состояния:

Есть ещё такое интереснейшее направление, как биологическое получение металлов из руд (медь, цинк, свинец, мышьяк, сурьма, молибден, железо, никель, золото, серебро, уран, кобальт).

Не беспокойтесь, Алекс - всё придумано до нас Что-нибудь да прокатит. Способов хватает на каждый тяжёлый случай.

[AlexAV]

Зейгерованием не разделяются только эвтектические растворы. Но эвтектические растворы легко выводятся из равновесия и металлы выходят из растворённого состояния

Это верно только в одном случае. Если вещества полностью нерастворимы в твёрдой фазе (скажем как медь и свинец). Тогда да, получаются красивые  диаграммы. А вот когда растворимы (если речь о нескольких ppm - то это почти любая пара веществ), то никакого разделения практически не будет не будет.

Чтобы не быть голословным. Вот реальная фазовая диаграмма Fe-Ni и сравните со своей.



Красивой области эвтектика- твёрдая фаза нет вообще. Однородный жидкий раствор переходит сразу в однородный твёрдый.  Что и как вы с подобной фазовой диаграммой будите разделять плавлением?

Это всё хорошо работает только если на фазовой диаграмме нет твёрдых растворов. Т.е. компоненты в кристаллическом состоянии взаимно нерастворимы. Если на фазовой диаграмме в интересующей нас области концентраций компоненты растворимы как жидкой так и в твёрдой фазе, то сколько-нибудь значимого разделения при плавлении получить нельзя (небольшое отличие состава фаз жидкого раствора и твёрдого раствора на линии равновесия бывает, но именно не большое, мало отличимое от единицы).

[SY]

Наиболее тугоплавкая фракция не плавится при этом вовсе, а остаётся твёрдой.

На самом деле она будет частично растворяться в более легкоплавкой фракции. И еще, соединения кремния имеют очень большую вязкость в расплаве и широкий диапазон размягчения, что затрудняет их отделения от других компонентов. А чем больше нагреешь - тем больше прочих соединений перейдет в расплав.

[Retired]

На самом деле для разделения существует только два вменяемых метода.

С Вашего позволения еще есть банальное выплавление нужной фракции, если это не эвтектика, а смесь рассеянного вещества. Собственно "рыжее" из песка на Колыме/Бодайбо и пр. "курортах" - так на коленке ртутной амальгамой и выделяли

[SY]

Как сильно щебенка отличается от угольного шлака?

Нашел статью(АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук), где это рассматривается наиболее широко по химическим элементам:
Технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов. ФТОРОАММОНИЙНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИЛИКАТНЫХ СИСТЕМ НА ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ОКСИДЫ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:
Работа посвящена разработке химической технологии разделения многокомпонентных силикатных систем на индивидуальные оксиды с помощью фторида аммония. Технологическая последовательность разложения многокомпонентных систем реализована на примере переработки угольных золошлаков, являющихся источником ряда ценных химических элементов.

Цель работы. Изучение физико – химических закономерностей процессов взаимодействия оксидов Al, Si, Ca, Ti, Mn, Ni, Cu, Sn, Fe с гидродифторидом аммония, разработать последовательность химических операций, позволяющую произвести разделение многокомпонентных силикатных систем на индивидуальные оксиды фтороаммонийным методом.

Главные выводы:
6.Экспериментально доказана возможность разделения многокомпонентных оксидных силикатных смесей на индивидуальные оксиды, с использованием в качестве вскрывающего реагента только фторидами аммония.
7. Разработана и апробирована химическая последовательность переработки угольных золошлаков, которые могут являться крупными сырьевыми.

статья:http://past.tpu.ru/files/nu/disser/kraidenko.pdf

[AlexAV]

С Вашего позволения еще есть банальное выплавление нужной фракции, если это не эвтектика, а смесь рассеянного вещества. Собственно "рыжее" из песка так на коленке амальгамой и выделяли

Что касается золота - это по сути экстракция. Т.е. метод основан на селективном растворении золота в ртути.

[Retired]

Что касается золота - это по сути экстракция. Т.е. метод основан на селективном растворении золота в ртути.

Верно, но ведь ртуть не только золото растворяет - тоже метод добычи, согласны? Хоть не в тему: но т.н. "красная ртуть" - это подпольный экспорт всех терра раре в виде их ртутной амальгамы (подкрашенной толченым кирпичом  )
Я к тому, что есть и иные способы добычи, кроме двух - Вами выше упомянутых.

[SY]

Собственно "рыжее" из песка на Колыме/Бодайбо и пр. "курортах" - так на коленке ртутной амальгамой и выделяли

Вообще-то так ртуть используется в полевых условиях для экспресс-анализа на золото индивидуальных(преварительно промытых) проб, для отделения золота от других плотных пород, с последующим прокаливанием и получением слитка золота. Это не промышленный метод. Даже на "коленке" есть методы по-лучше для извлечения золота из промывочного осадка. Этот метод распространен на Аляске среди старателей, но не как способ получения золота, а как способ быстро понять сколько зoлота есть в породе.