Что человечество может "вытолкнуть" в космос?

[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.

[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).

[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.

[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).

[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.

[AlexAV]

Как сильно щебенка отличается от угольного шлака?

Золы очень разные бывают. Их состав очень зависит от угольного месторождения. В некоторых типах по никелю скажем до 78 кг/т. До обычных рудных 0,25-4,5% не дотягивает, но не так уж и сильно (т.е. всего в несколько раз, а не на порядки).

[AlexAV]

Если сюда добавить кислород, то суммарное процентное количество перерабатываемого таким способом сырья(при их кларковой концентрации) будет досточно большим.
Т.е. из исходной "щебенки" будут изъяты основновные компоненты(дающие основную массу).

Как метод вскрытия породы фторидный весьма неплох. Однако здесь всё упирается в доступность самого фтора. Т.е. на земле фторидное сырьё (пока есть богатые месторождения флюорита) достаточно дёшево, что позволяет рассматривать такие методы как перспективные.

Если же мы рассматриваем вопрос в контексте применения к космосу, надо учитывать, что там фтор - редкий элемент с содержанием в породе в наиболее богатых образцах метиоритов до 250 ppm. Его самого там извлекать будет весьма сложным и очень затратным занятием.  

[AlexAV]

Вообще если посмотреть на солнечную систему, то наиболее перспективные объекты для освоения должны были бы быть спутники Юпитера. На паре Ио и Европа шансев найти приличные месторождения все чего угодно кажутся намного выше чем во всём поясе астероидов. Пляс выдающаяся геологическая активность Ио может делать эти ресурсы возобновляемыми.

Единственный минус, но сводящий все эти плюсы на ноль - радиация. Ну и кроме того энергетика... Солнца там уже мало.

[AlexAV]

Фтористый аммоний, используется как оборотный реагент, и если убыль фтора не будет превышать этих самых 250 ррм, то со временем его накопится очень много в процессе переработки.

Это предполагает исключительно малую потерю фтора в цикле. Если учитывать, что на тонну породы будет уходить порядка тонны фтора (в виде кислого фторида аммония), то потери не должны превышать 0,025%. Здесь уже появляются вопросы о физической возможно достижения таких значений (тут надо смотреть термодинамический минимум остаточной концентрации фтора в сульфатах образующихся при сернокислом выщелачивание).

Опять же 250 ppm - это максимум. Более типичные значения 10-70 ppm.

Еще, раньше, мне попадались работы, где описывались преимущества хлорида аммония перед фторидом, при использовании для этих же самых целей.

Фторидный метод универсален. Он работает по любому типу пород. А к хлоридам силикаты куда более устойчивы. Т.е. его можно будет применять для куда более узкого круга сырья.

[AlexAV]

PS:попалась табличка с минералами, которые можно так перерабатывать:

Вообще любые силикаты. Самый универсальный метод химического вскрытия.

[AlexAV]

На странице 5 есть уравнения реакции и следующие слова:
Преимуществом использования фторидов аммония в качестве обескремнивающего агента является возможность его полной регенерации.
Оксид кремния выводится из системы в виде гексафторосиликата аммония, летучего выше 320 оС, который подвергается аммиачному гидролизу.
Цикл обескремнивания и регенерации фторида аммония можно спроецировать на процессы гидрофторирования других оксидов.

Всё-таки при сернокислом выщелачивании 100%-й регенерации не получается.

Из Позин М.Е. Технология минеральных солей.

Достаточная для завершения реакции продолжительность пре­бывания реакционной массы в печи составляет 55—60 мин при температуре в передней части печи 160—180°, а в задней 220—280°. Более высокие температуры хотя и ускоряют процесс, но нежела­тельны, так как приводят к повышенному содержанию паров сер­ной кислоты в уходящем из печи газе, который имеет температуру 120—140° и содержит до 80% HF. Производительность печи с диа­метром барабана 1,9 м и длиной 12 м составляет ~ 10 т в сутки  плавиковой   кислоты  (в пересчете на 100% HF). Выгружаемый из печей материал содержит более 80% CaS04, 2—6% CaF2 и 10— 12% свободной серной кислоты. Обычно этот материал является отходом производства.

Изучено получение HF действием серной кислоты на NaF. При стехиометрическом соотношении реагентов для практически пол­ного разложения NaF требуется нагрев реакционной массы до 500°. Она получается подвижной при концентрации серной кислоты не больше 75% Нг504. Даже при избытке кислоты и двухчасовом нагреве в сульфате натрия остаются десятые доли процента фтора.

Т.е. в технологическом процессе какой-то процент потерь всё равно будет, причём весьма заметный.

[AlexAV]

С одной стороны, там нет слов про сернокислотное выщелачивание.

Так по сути речь о процессах взаимодействия СaF2 и NaF c серной кислотой и идёт. Это и есть сернокислое выщелачивание.

С другой стороны, понятно, что HF имеет сложности с отделением от реакционной массы в приведенном Вами примере.

В случае NaF - вероятно. А вот у СaF2 скорее захват фтора кристаллической решёткой образующегося при выщелачивание малорастворимого гипса.

[AlexAV]

Но в любом случае интересно, как в космосе обстоят дела с плавиковым шпатом. Либо оценить кларк фтора.(0,0280% = 280ррм на Земле) Очень близко к Вашей цифре.

Вот содержание в разных типах метеоритного вещества:


Что касается флюорита в промышленных масштабах, то его месторождения имеют преимущественно гидротермальное происхождение. Соответственно кажется, что их формирование на астероидах маловероятно.

[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. 

[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.

[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.

[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.