Что человечество может "вытолкнуть" в космос?

[AlexAV]

Тогда бы метод зонной плавки не работал, если я правильно понимаю. Не?

Не так. Метод зонной плавки работает не за счёт разницы в температуре плавления, а за счёт не равного распределения примеси между твёрдым раствором и жидким на линии равновесия, это различие обычно очень невелико, но если концентрация примеси в расплаве выше, чем в твёрдой фазе (это условие выполняется не для всех веществ) то за счёт многократного прохода можно добиться довольно глубокой очистки.

Условно есть вещество A c с примесью 1% вещества B, а на линии плавления он находится в равновесии с веществом A, содержащим 1,1% вещества B (для реальных твёрдых растворов как раз величины такого порядка и наблюдаются). Таких небольших отличий достаточно для зонной плавки. Но они совершенно несовместимы с зейгерованием. 

[Андрей Курилов]

Так что у нас остаётся? Фтор, которого, считай нет? С возгонкой я упустил один важный момент - прогонять придётся многократно по кругу. С плавлением (зейгерованием), судя по вашим словам, тоже никак.

[AlexAV]

Так что у нас остаётся? Фтор, которого, считай нет? С возгонкой я упустил один важный момент - прогонять придётся многократно по кругу. С плавлением (зейгерованием), судя по вашим словам, тоже никак.

Собственно Ваше предложение в части магнитной сепарации (как по магнитной восприимчивости, так и по точке Кюри) вполне не плохое (насколько можно понять элементы между различными минеральными компонентами распределены весьма неравномерно, что хорошо). Кроме того сюда же можно добавить сепарацию по диэлектрической проницаемости (также как магнитная, но но не в магнитном, а неоднородном электрическом поле). Правда это понятно как сделать при наличие гравитации, а вот без неё как-то сложнее... Т.е. удобно видимо только для крупных астероидов (Церера, Веста). Можно ещё по плотности, но это хорошо получается в среде (газа или жидкости), а где брать столько этой среды для переработки большого количества материала не очень понятно.

Далее можно попытаться извлечь что возможно, переведя в карбонил. К сожалению список металлов, допускающих такое извлечение не очень большой. Железо, никель, кобальт, родий и рутений (это список металлов которые могут образовывать карбонил непосредственно из металла). Минус процедуры, что при этом будут восстанавливаться оксиды металлов (прежде всего железа) с окислением СO до СO2. Поскольку окислов железа обычно много объём СO2, который надо будет регенерировать обратно до CO будет достаточно велик, а сама процедура такой регенерации получается достаточно затратной по энергии. Что-то типа такого:

CO2 + H2 = CO + H2O (обратимая реакция)
2H2O = 2H2 + O2 (электролиз или термохимический цикл)

Дальше породу надо вскрывать. Самый доступный реагент у нас для этого - серная кислота (благо серы у нас много). Т.е. долго кипятим породу в серной кислоте пока она не переведёт всё что возможно в сульфат. А далее в ход весь арсенал методов разделения растворов (селективное осаждение, экстракция, ионный обмен и т.д.). Здесь уже подходов много, для каждого компанента надо выбирать индивидуально.

Отдельный вопрос как кислоту регенерировать из сульфатов (и стоит ли или работать в открытом цикле, благо серы не так мало). Если всё же регенерировать, то в этом случае используется процесс типа (Me - некий достаточно произвольный металл):

MeSO4 + C + SiO2 = MeSiO3 +  SO2 + CO
2SO2 + O2 = SO3
SO3 + H2O = H2SO4

Плюс надо будет регенерировать кокс. Это что-то типа:
CO + H2 = CH4 + H2O
CH4 = C +2H2 (пиролиз)

Как-то так.

[AlexAV]

Один плюс астероидного минерального состава (сразу как-то внимание не обратил).

Водород можно получать в открытом цикле и очень просто в реакции:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

Железо естественно добываемое из естественной породы (благо особой редкостью в веществе астероидов металлическое железо не является).

Это намного эффективнее и дешевле будет, чем термохимический цикл или электролиз.

[SY]

Отдельный вопрос как кислоту регенерировать из сульфатов (и стоит ли или работать в открытом цикле, благо серы не так мало). Если всё же регенерировать, то в этом случае используется процесс типа (Me - некий достаточно произвольный металл):

MeSO4 + C + SiO2 = MeSiO3 +  SO2 + CO
2SO2 + O2 = SO3
SO3 + H2O = H2SO4

Сейчас многие технологии используют термическое разложение сульфатов
А то, разрушали-разрушали силикаты, а потом их опять синтезировали

[AlexAV]

Сейчас многие технологии используют термическое разложение сульфатов
А то, разрушали-разрушали силикаты, а потом их опять синтезировали

Для железа и щелочноземельных можно просто пиролизом. С сульфатами щелочных так уже не получится (правда их всё-таки получается меньшая часть, самые распространённые катионы магний и железо).   

Хотя для сульфата магния уже лучше процесс проводить в присутствии угля. Сульфат железа можно и так, без добавок.

[AlexAV]

Отмечу что речь идет об открытом цикле Брайтона, где используется достаточно агрессивное и не оптимальное рабочее тело. В космосе, в закрытом цикле, специально подобранное рабочее тело (с лучшей адиабатой) мало того что способно заметено поднять удельную мощность, турбины и компрессора (да и КПД!), но и пробег турбогенератора (не удивлюсь если на порядок!).

Лучше всего для турбины замкнутого цикла в плане термодинамических свойств были бы одноатомные инертные газы (у них минимальное значение С_V и максимальное показателя адиабаты). Причём если мы желаем уменьшить механические нагрузки в системе - лучше тяжёлые. Правда на астероидах инертные газы - огромный дефицит. Их содержание в породе совсем ничтожно.

Так что придётся брать более традиционные азот, углекислый газ или воду.

[Андрей Курилов]

Правда это понятно как сделать при наличие гравитации, а вот без неё как-то сложнее...

Центрифуга легко заменяет гравитацию.

[SY]

углекислый газ

Горячий углекислый газ - очень едкое вещество, никель уже при комнатных температурах начинает потихоньку разъедать, железо про 200 по Цельсию тоже заметно кородирует.

Кстати, про выщелачивание, есть еще карбонатное, при повышенной температуре и давлении, обычно в растворе обычной пищевой соды, иногда дополнительно насыщают углекислым газом. Растворяет даже кварц. Такой способ выщелачивания и осаждения из насыщенного раствора используют для выращивания синтетического кварца для электроники и аметиста для ювелирной промышленности.

[AlexAV]

Кстати, про выщелачивание, есть еще карбонатное, при повышенной температуре и давлении, обычно в растворе обычной пищевой соды, иногда дополнительно насыщают углекислым газом. Растворяет даже кварц. Такой способ выщелачивания и осаждения из насыщенного раствора используют для выращивания синтетического кварца для электроники и аметиста для ювелирной промышленности.

Для сколько-нибудь заметной эффективности для большинства компонент здесь требуются высокие температуры и соответственно давления. А это дополнительные технологические сложности. Кроме того многие из них будут сохраняться в растворе только при высокой температуре, что будет затруднять их отделение.

Горячий углекислый газ - очень едкое вещество, никель уже при комнатных температурах начинает потихоньку разъедать, железо про 200 по Цельсию тоже заметно кородирует.

Тогда список сокращается вообще до двух пунктов. Вода для паровой турбины и азот для газовой замкнутого цикла.

Остальное или малодоступно, или агрессивно, или недостаточно стабильно.

[SY]

Кстати, про выщелачивание, есть еще карбонатное, при повышенной температуре и давлении, обычно в растворе обычной пищевой соды, иногда дополнительно насыщают углекислым газом. Растворяет даже кварц. Такой способ выщелачивания и осаждения из насыщенного раствора используют для выращивания синтетического кварца для электроники и аметиста для ювелирной промышленности.

Для сколько-нибудь заметной эффективности для большинства компонент здесь требуются высокие температуры и соответственно давления. А это дополнительные технологические сложности. Кроме того многие из них будут сохраняться в растворе только при высокой температуре, что будет затруднять их отделение.

Согласен, эта технология-аналог гидротермального процесса роста кристаллов кварца, характеризуется достаточно низкой скоростью процесса.
Кроме того в космосе на малых телах кварц мало распространен. В рекомендациях по поиску метеоритов: присутствие кварца или холцедона говорит о земном происхождении образца.

Поэтому может не понадобиться больших количеств фтористого аммония, а основную переработку вести хлористым аммонием, т.к. последний испытывает трудности с разрушением именно чистого кварца, крупных зерен которого не должно быть в больших количествах, т.к. это гидротермальный минерал или результат многократной преплавки осадочных пород с очень медленным остыванием(в случае гранита), чего не может быть на малых телах.

[Андрей Курилов]

Хлора больше всего в углистых хондритах (С1) - 773 ppm в среднем и энстатитах (E4) - 660 ppm. Также пишут о сильной дисперсии содержания хлора в разных кусках одних и тех же метеоритов. Минералы - хлорапатит (мало), лаврентит - извлекается водой - растворимый хлорид железоникеля. Возможно, часть хлора содержится в составе органической фракции хондритов. В 1953 г. зафиксировано 4.8% содержание хлора в извлечённой органической фракции.

[Skipper]

Собственно Ваше предложение в части магнитной сепарации (как по магнитной восприимчивости, так и по точке Кюри) вполне не плохое (насколько можно понять элементы между различными минеральными компонентами распределены весьма неравномерно, что хорошо). Кроме того сюда же можно добавить сепарацию по диэлектрической проницаемости (также как магнитная, но но не в магнитном, а неоднородном электрическом поле). Правда это понятно как сделать при наличие гравитации, а вот без неё как-то сложнее... Т.е. удобно видимо только для крупных астероидов (Церера, Веста). Можно ещё по плотности, но это хорошо получается в среде (газа или жидкости), а где брать столько этой среды для переработки большого количества материала не очень понятно.

Далее можно попытаться извлечь что возможно, переведя в карбонил. К сожалению список металлов, допускающих такое извлечение не очень большой. Железо, никель, кобальт, родий и рутений (это список металлов которые могут образовывать карбонил непосредственно из металла). Минус процедуры, что при этом будут восстанавливаться оксиды металлов (прежде всего железа) с окислением СO до СO2. Поскольку окислов железа обычно много объём СO2, который надо будет регенерировать обратно до CO будет достаточно велик, а сама процедура такой регенерации получается достаточно затратной по энергии. Что-то типа такого:

CO2 + H2 = CO + H2O (обратимая реакция)
2H2O = 2H2 + O2 (электролиз или термохимический цикл)

Дальше породу надо вскрывать. Самый доступный реагент у нас для этого - серная кислота (благо серы у нас много). Т.е. долго кипятим породу в серной кислоте пока она не переведёт всё что возможно в сульфат. А далее в ход весь арсенал методов разделения растворов (селективное осаждение, экстракция, ионный обмен и т.д.). Здесь уже подходов много, для каждого компанента надо выбирать индивидуально.

Ув.AlexAV, спасибо, это уже похоже на описание процесса добычи витаминов из астероидного вещества. 
Теперь хорошо бы оценить затраты энергии и витаминов на этот процесс.

Видимо, одним из самых энергозатратных этапов будет:

долго кипятим породу в серной кислоте

Серная кислота кипит при ~550К.
Эту температуру, видимо, выдержит обычное стекло (возможно, с некоторыми добавками).
Стекло толщиной 1м проводит порядка 1Вт тепла на м2 на каждый Кельвин перепада температур.
При перепаде температур в несколько сот градусов теплопоток будет несколько сот Ватт/м2.
Т.е. того же порядка, что и солнечный свет в Главном поясе астероидов.
Т.е. сконцентрированного раз в 10 света точно хватит на поддержание процесса кипячения неограниченное время.
10 м2 зеркал на 1м2 поверхности "колбы".

Справедлива ли такая оценка?

Какие еще самые энергозатратные стадии? И как оценить энергозатраты на них?

[Андрей Курилов]

А зачем использовать какие-то "стёкла" и "окна"? Если нагревать не очень сильно (<3000^oK), то сгодится обычный теплообменник.

Грейте серную кислоту в такой трубе и подавайте на породу.

[Skipper]

Грейте серную кислоту в такой трубе и подавайте на породу.

Кислота будет все время остывать. Я пытаюсь оценить энергозатраты на подогрев.
Узкая длинная труба на Вашей картинке имеет высокое отношение площади к объему, поэтому будет остывать быстрее.
Идеальная конфигурация: стеклянная сфера, прогреваемая со всех сторон зеркалами.

Хотя, вполне возможно, тепловой баланс срастется и в предложенной Вами схеме.

[Андрей Курилов]

Узкая длинная труба на Вашей картинке имеет высокое отношение площади к объему, поэтому будет остывать быстрее.

Она вообще-то в радиационном балансе с коллектором (с одной стороны) и космосом (с другой стороны). Часть трубы, повёрнутая к коллектору, чёрная (альбедо 0.1), к космосу - зеркальная (0.9). Таким образом труба практиечески запирает в себе тепло, аки атмосфера Венеры и находится, преимущественно, в радиационном балансе с коллектором.
Здесь высокое отношение площади к объёму - преимущество, позволяющее прогревать рабочее тело с высокой пропускной способностью.

ИМХО, такая "линейная" конструкция наиболее удачна, так как не требует соблюдения геометрической формы на больших масштабах (т.е. заместо параболоида 1 км в поперечнике проще постепенно наклепать целое плоское поле из таких "полос"), что даёт хорошее scalability.

Для высоких температур (3-5 тыс. градусов), потребуется уже другая конструкция - зеркало на дне какого-нибудь кратера астероида, причём вращение астероида придётся синхронизировать с обращением вокруг Солнца (шоб всегда коллектор смотрел на Солнце):

[Skipper]

Она вообще-то в радиационном балансе с коллектором (с одной стороны) и космосом (с другой стороны). Часть трубы, повёрнутая к коллектору, чёрная (альбедо 0.1), к космосу - зеркальная (0.9). Таким образом труба практиечески запирает в себе тепло, аки атмосфера Венеры и находится, преимущественно, в радиационном балансе с коллектором.
Здесь высокое отношение площади к объёму - преимущество, позволяющее прогревать рабочее тело с высокой пропускной способностью.

Ок, возможно, так лучше.
Главное - показать, что для кипячения породы в кислоте не нужно много витаминов.

[Андрей Курилов]

Согласно приведённому здесь труду о поэлементном составе метеоритов, сера распространена в астероидах повсевместно, преимущественно в составе троилита (FeS) и прочих сульфидов. Наибольшее среднее содержание всё в тех же хондритах C1(5.9%) и Е4(5.85%), что и содержащих наибольшее кол-во хлора. Получать серную кислоту из троилита достаточно легко, примерно также, как из пирита:
FeS₂ + 14 Fe³⁺+ 8 H₂O → 15 Fe²⁺ + 2 SO₂⁻⁴ + 16 H⁺

[Андрей Курилов]

Интересно, кстати, что наиболее богатые на всякие редкие элементы вроде хлора и индия - это хондриты С1 и Е4. С первым типом всё понятно - углистый хондрит, сохранивший наибольшее кол-во летучки, а вот высокое содержание летучки в энстатите не совсем уж понятно.

[Андрей Курилов]

Вообще, однородность состава астероидного материала (и отсутствие месторождений) я бы снова поставил под сомнение.
С точки зрения спектра мы имеем наиболее хорошо изученный пример - астероид Веста, который в подробностях был отснят зондом Dawn.

Вот неоднородность распределения водорода:


На изображении ниже карта распределения диогенита, ховардита и эвкрита (жёлтый - диогенит+ховардит):