Что человечество может "вытолкнуть" в космос?

[Skipper]

awsislemse,
спасибо, интересные графики.
Нельзя ли ссылку на первоисточник?

[bob]

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 нагрузки... 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

А нет преимущества ни в том, ни в другом, ни в третьем. Астероиды даже хуже рассеянного металлолома. Это рассеянная руда. Если Вы не можете с приемлемыми затратами добраться до драгмета даже в собственном спутнике, точно зная по чертежу, где он есть - что говорить об астероиде? Все планы добычи чего-либо на астероидах тогда можно смело закрывать.

[AlexAV]

FeS2 + 14 Fe3++ 8 H2O → 15 Fe2+ + 2 SO2−4 + 16 H+

Так, если не путаю, процесс идёт только микробиологически (при обычных реакциях сульфиды железом(III) окисляются только до серы). Кроме того, слишком медленно и не позволяет получить концентрированную кислоту и олеум. Для промышленного использования не годится.

Серную кислоты получают совсем не так. Требуется окислительный обжиг сульфидного сырья:

4FeS + 5O2 = 2Fe2O3 + 4SO2
А далее окисление SO2 до SO3 и получение кислоты.

И особых альтернатив здесь нет.

[Skipper]

Из Википедии:

Обнаружены сотни веществ, ускоряющих окисление SO2 до SO3, три лучших из них в порядке уменьшения активности: платина, пятиокись ванадия и окись железа. При этом платина отличается дороговизной и легко отравляется примесями, содержащимися в газе SO2, особенно мышьяком. Окись железа требует высоких температур для проявления каталитической активности (выше 625 гр. C). Таким образом, ванадиевый катализатор является наиболее рациональным, и только он применяется при производстве серной кислоты. Ниже приведены реакции по производству серной кислоты из минерала пирита на катализаторе — оксиде ванадия (V) (V2O5).

4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2
2SO2 + O2 → 2SO3
SO3 + H2O → H2SO4

То есть либо витаминный ванадий, либо температура 900К.
Как оценить расход энергии в последнем случае - не могу сообразить.

[AlexAV]

Вообще, однородность состава астероидного материала (и отсутствие месторождений) я бы снова поставил под сомнение.

Веста - очень большое тело, ближе к карликовой планете. Причём прошедшее дифференциацию. Странно было бы если бы оно было совсем однородным. А вот степень неоднородности на приведённых картах скорее даёт основания для пессимизма, чем оптимизма.

Воды можно считать, что почти нет. 400 ppm в самом богатом регионе - это ничто. Ничего сопоставимого с С1 хондритами нет. Породы всего четырёх типов, что как-то совсем не густо (сравните с многообразием горных пород Земли ) Кстати надо отметить только ахондриты. Хондриты не отмечены на карте вообще.

[AlexAV]

То есть либо витаминный ванадий, либо температура 900К.

В рассматриваемых условиях (т.е. астероиды) я бы предпочёл температуру витаминам. Плохо только, что при повышении температуры полезный выход реакции сильно уменьшается. Т.е. реакция 2SO2 + O2 = 2SO3 обратима и равновесие с ростом температуры смещается влево.

[Skipper]

В рассматриваемых условиях (т.е. астероиды) я бы предпочёл температуру витаминам.

Полностью согласен. Нужно только не превыщать границу температур, за которой уже требуются спецматериалы (а на них опять витамины).

Плохо только, что при повышении температуры полезный выход реакции сильно уменьшается. Т.е. реакция 2SO2 + O2 = 2SO3 обратима и равновесие с ростом температуры смещается влево.

Так как можно оценить затраты хотя бы по порядку? (в Дж на кг кислоты)

[AlexAV]

Так как можно оценить затраты хотя бы по порядку? (в Дж на кг кислоты)

Надо считать. Понятно, что нужно учитывать не только стадию окисления сернистого газа. А так-же:

1) Добыча и помол породы (самое затратное помол, но не столько из-за энергии, хотя её тоже надо много, сколько из-за износа оборудования)
2) Обогащение (здесь прямые затраты энергии невелики, в первом приближении можно пренебречь, вот вопрос оборудования - серьёзнее)
3) Производство кислорода (астероид - не земля, бесплатного воздуха нет).
4) Обжиг (как нагрев, так и расход кислорода, вообще поскольку вещество астероидов богато железом и оксидами железа (II) эта величина будет сильно зависеть от степени обогащения)
5) Окисление сернистого газа (главным образом нагрев, при расчёте надо учитывать значение константы равновесия)
6) Работа поглотительной колонны (очень немного, в первом приближении можно пренебречь).

[Skipper]

1) Добыча и помол породы (самое затратное помол, но не столько из-за энергии, хотя её тоже надо много, сколько из-за износа оборудования)

Первая попавшаяся в гугле камнедробилка жрет ~10кДж/кг породы. Ресурс сходу не нашел.

А нельзя ли вместо помола воспользоваться халявным реголитом, любезно перемолотым за миллиарды лет?
Конечно, это только на крупных астероидах, где хватает гравитации его удержать при метеоритных ударах.

2) Обогащение (здесь прямые затраты энергии невелики, в первом приближении можно пренебречь, вот вопрос оборудования - серьёзнее)

Ок, пока пренебрегаем.
Остается вопрос, какова степень обогащения?

3) Производство кислорода (астероид - не земля, бесплатного воздуха нет).

Навскидку: электролиз ~300 кДж / моль О2 , поделить на КПД электролиза, поделить на кпд турбины.
Пусть общий кпд 10%. 3 МДж/моль О2.
Возможно, есть менее затратные способы.

4) Обжиг (как нагрев, так и расход кислорода, вообще поскольку вещество астероидов богато железом и оксидами железа (II) эта величина будет сильно зависеть от степени обогащения)

Отсюда:
http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=7508
4FеS2 + 11О2 = 2Fе2S3 + 8SО2,
где ΔН = 3400 кДж.
или ~400 кДж / моль SO2.

5) Окисление сернистого газа (главным образом нагрев, при расчёте надо учитывать значение константы равновесия)

Оттуда же:
SО2+ 0,5О2 <=>  SО3 – ΔН2,       где  ΔН2 = 96 кДж,
SО3 + Н2О <=>  Н2SО4 – ΔН3,     где ΔН3 = 92 кДж
или порядка 200 кДж / моль кислоты.

Итого п.п.3-5 порядка 6,6 МДж / моль кислоты, или 66 МДж/кг. Из них 60 - на производство кислорода.
Видимо, электролиз слишком расточителен!

[AlexAV]

Первая попавшаяся в гугле камнедробилка жрет ~10кДж/кг породы. Ресурс сходу не нашел.

Больше (скажем  здесь некоторый ассортимент).

Где-то 20-30 кВтч/т, т.е. ~100 кДж/кг.  Расход шариков около 1-3 кг/т (для твёрдых пород). Материал - высокохромистая сталь (~20% хрома).

[Андрей Курилов]

2AlexAV

Веста - очень большое тело, ближе к карликовой планете. Причём прошедшее дифференциацию. Странно было бы если бы оно было совсем однородным.

Наоборот, внешний слой дифференцированных карликовых планет должен быть весьма однородным. Но тут импакты всё перекосили.
С другой стороны, даже мелкие астероиды, что уже совсем на грани рассыпания в пыль и щебень, также, почему-то, имеют разный состав своих частей:

Это астероид Итокава, имеющий в длину всего 535 м. Он явно состоит из 2х фрагментов различного происхождения и состава, соединённых пылевым перешейком в барицентре (такая форма наблюдается часто среди ядер комет и астероидов).

А вот степень неоднородности на приведённых картах скорее даёт основания для пессимизма, чем оптимизма.

Есть такое. Либо - куски литосферы, либо - мантии. На этом в общем-то, выбор и заканчивается.

Воды можно считать, что почти нет. 400 ppm в самом богатом регионе - это ничто. Ничего сопоставимого с С1 хондритами нет. Породы всего четырёх типов, что как-то совсем не густо (сравните с многообразием горных пород Земли ) Кстати надо отметить только ахондриты. Хондриты не отмечены на карте вообще.

Хондриты и вода имеют слишком малый масштаб пятен, ибо в самой Весте их нет, но они есть в местах импактов.

1) Добыча и помол породы (самое затратное помол, но не столько из-за энергии, хотя её тоже надо много, сколько из-за износа оборудования)

Чтобы избежать значительной доли этих затрат, нужно собирать уже взрыхлённый до микронных размеров реголит с поверхности. Тем более что на поверхности разнообразие состава будет больше из-за импактов со всех углов СС.

3) Производство кислорода (астероид - не земля, бесплатного воздуха нет).

Не проблема. См. ниже мой ответ ув. Skipper по этому вопросу.
2Skipper

Нельзя ли ссылку на первоисточник?

Я просто открыл сайт photojournal.jpl.nasa.gov и выбрал Весту так как вспомнил что где-то видел спектральные её разноцветные карты.
Там кроме приведённых мной ещё много - есть фотографии кратеров, около которых отложения тёмного углистого вещества, есть кратеры, содержащие много летучки.

Конечно, это только на крупных астероидах, где хватает гравитации его удержать при метеоритных ударах.

Чуть выше тоже самое предлагал. На самом деле даже мелкие астероиды содержат много пыли и песку. Вот поверхность астероида Итокава, всего 500 м по самому большому своему измерению (жмякните мышкой, чтобы увеличить):

Как видно, мельчайшей пыли хватает.

Возможно, есть менее затратные способы.

Термофотолиз. Уже есть на Земле станция по добыче водорода из воды под действием сконцентрированных солнечных лучей - называется эта штука HYDROSOL-2. Что интересно, рабочая температура составляет всего 1000..1500^oК. Так что, похоже, с разложением воды проблемы нет.

[Skipper]

Где-то 20-30 кВтч/т, т.е. ~100 кДж/кг.  Расход шариков около 1-3 кг/т (для твёрдых пород). Материал - высокохромистая сталь (~20% хрома).

Мда, на хроме (~3000 ppm) мы можем разориться.
Будем надеяться, уже перемолотый реголит нас спасет

Термолиз. Нагревать до температуры более 2000oК и под фокусом солнечного света. При 2500oК равновесие диссоциации составляет уже 3% свободных водорода и кислорода.

Это мы уже проходили несколькими страницами выше. Для 2000К нужны супер-пупер витаминные стекла, которые еще и быстро стачиваются.

2H2SO4 → 2H2O + SO2 + O2 (T=1100oK)
SO2 + 2H2O  → H2SO4 + H2 (T=400oK, требует электричества)

Это замкнутый круг получается. Нам же кислород как раз и нужен для получения кислоты.

Или вот ещё:

И опять 2000+ К 

[Андрей Курилов]

Это мы уже проходили несколькими страницами выше. Для 2000К нужны супер-пупер витаминные стекла, которые еще и быстро стачиваются.

Я уже нашёл кое-что ещё - поправил своё сообщение. Станция HYDROSOL-2 имеет рабочую температуру всего + 800-1200 Ц. Видимо, в условиях повышенной температуры фотодиссоциация идёт во много раз эффективней.

Это замкнутый круг получается. Нам же кислород как раз и нужен для получения кислоты.

Ну получили для начала какое-то кол-во серной кислоты. Но теперь она нам помогает также получать ещё кислороду. Причём без расхода. В чём печаль-то?

[Андрей Курилов]

Вообще я не разделяю вашего уныния по поводу колонизации пояса астероидов. По сравнению со следующими ступеньками - поясом Койпера и Облаком Оорта там ещё всё легко, есть "бесплатный" термоядерный реактор в виде Солнца и не надо изобретать способов сжигания дейтерия
Есть мысль, что с учётом наличия непрерывного доступа к солнечной энергии там ещё непаханное поле термо-фото-химии, которая до этого никого не интересовала и позволит дать интересные методы добычи полезных веществ...

[AlexAV]

Тем более что на поверхности разнообразие состава будет больше из-за импактов со всех углов СС.

Для добычи нужен не просто разнородный состав, от простого вкрапления кусков породы другого состава пользы немного. А геологические структуры, содержащие от десятков миллионов тонн "руды" приблизительно одинакового состава. Такая, что условно можно копать роторным экскаватором на протяжении десятилетий. Если рудное тело слишком маленькое, то его разработка просто не окупит необходимую инфраструктуру.

 

тобы избежать значительной доли этих затрат, нужно собирать уже взрыхлённый до микронных размеров реголит с поверхности.

Тоже вариант. Однако это сильно сокращает объём доступного ресурса (Какая толщина слоя реголита, пару метров в лучшем? ).

Термолиз. Уже есть на Земле станция по добыче водорода из воды под действием сконцентрированных солнечных лучей - называется эта штука HYDROSOL-2. Что интересно, рабочая температура составляет всего 1000..1500oК. Так что, похоже, с разложением воды проблемы нет.

Не термолиз, а термохимический цикл. Это несколько разные вещи. Простой термолиз воды требует температуры больше 2000 градусов (а материалов способных работать при температуре в 2000 градусов в среде кислорода - по пальцам одной руки), закалки образующихся газов (на стадии которой будет теряться под 80% продукта из-за обратных реакций) и крайне низкой энергетической эффективностью процесса. Технический абсурд в целом.

Термохимические циклы - это другое. Действительно довольно эффективный способ разложения воды. И не требуют экстремальных температур.Вот только большинство из них требуют очень дефицитных для нас веществ (селен, иод, бром и т.д.). Если их исключить из всего богатства выбора остаётся только один термохимический и два комбинированных (электролиз+термолиз).

Т.е. железо-хлорный цикл:

2FeCl2 + 4H2O = Fe3O4 + 6HCl +H2 (T = 1200К)
Fe3O4 + 8HCl = FeCl2 +2FeCl3 +4H2O (T = 400-750К)
Cl2+H2O = 2HCl + 0.5O2 (T = 1100 - 1300)
2FeCl3 = 2FeCl2 + Cl2 (T = 600 - 1100)

Сернокислый:

SO2 + 2H2O = H2SO4 + H2(электролиз)
H2SO4 = H2O + SO2 +0.5O2 (T = 1100)

Метан-метанольный:
CH4 + H2O = CO + 3H2 (T = 1100)
CO + 2H2 = CH3OH (T = 520)
CH3OH = CH4 +0.5O2 (электролиз)

При всём богатстве выбора в действительности выбор получается не так велик.

[AlexAV]

Я уже нашёл кое-что ещё - поправил своё сообщение. Станция HYDROSOL-2 имеет рабочую температуру всего + 800-1200 Ц. Видимо, в условиях повышенной температуры фотодиссоциация идёт во много раз эффективней.

Да нет никакой фотодиссоциации там. Не разлагается вода при 1100 ни при каких условиях. Какой-то термохимический цикл используют (их много, выше я перечислил только те, которые особых "дефицитов" не используют).

[Андрей Курилов]

Да, вы правы, термохимический цикл.
Вотъ:
http://www.dlr.de/sf/Portaldata/73/Resources/dokumente/Soko/soko2009/Poster/HydrosolII_Wasserstoffprod_Pilot.pdf
http://www.dlr.de/sf/Portaldata/73/Resources/dokumente/Soko/Soko2007/Poster/4_Roeb_Rietbrock_neu__ber_mh.pdf

[Skipper]

Ну получили для начала какое-то кол-во серной кислоты. Но теперь она нам помогает также получать ещё кислороду. Причём без расхода. В чём печаль-то?

Печально, что на входе 2 моля кислоты, а на выходе один...

[AlexAV]

Печально, что на входе 2 моля кислоты, а на выходе один...

Нет. Цикл есть цикл. Т.е. сколько кислоты на входе, столько и на выходе (не учитывая неизбежный паразитных потерь). В этом плане здесь всё нормально.

[Андрей Курилов]

Тоже вариант. Однако это сильно сокращает объём доступного ресурса (Какая толщина слоя реголита, пару метров в лучшем? ).

Есть мнение что песка и пыли в астероидах - большая часть массы. Меньше приходится на щебень и совсем мало массы в виде крупных валунов.

А геологические структуры, содержащие от десятков миллионов тонн "руды" приблизительно одинакового состава.

А импакты бывают разные. В том числе и с массой ударяющих тел в десятки миллионов тонн. Вон, Итокава, вообще состоит из двух кусков почти сравнимого размера и разного состава. Та же особенность обнаружена у множества, если не у подавляющего большинства астероидов и комет. Обнаруженные параллельные борозды у ядра кометы Темпель-1, пересекающие поверхность также стали свидетельством "слипания" двух фрагментов, имеющих разную, к тому же, текстуру поверхности (и, возможно, разное происхождение).