Комета - топливная заправка для химических ракет

[Андрей Курилов]

Вообще всё это - гадание на кофейной гуще. Нужна миссия с бурением кометы. Достать образец с глубины метров 300-500, нагреть до 100К в газовом анализаторе и посмотреть, сколько и чего получили. Тогда можно сделать ясный вывод об энергетической ценности кометного материала.

[VLANN]

Есть такой аниме-сериальчик, начавшийся в конце 80-х - "Легенда о героях галактики", этакая эпичная космоопера об истории человечества, покоряющего космос. И было там такое событие: беглецы из объединившей всех людей космической империи покинули ее на огромных кометах, превратив их в звездолеты. И вот фантастика прошлого опять всплыла в умах настоящего. Правда, снова как фантастика.))

[Андрей Курилов]

Удалось найти оценки удельной теплоёмкости для аморфного льда:
http://www.springer.com/cda/content/document/cda_downloaddocument/9789048128815-c2.pdf?SGWID=0-0-45-1117340-p173905761 (стр. 32)
http://www.nature.com/pj/journal/v42/n7/full/pj201037a.html


Видно, что теплоёмкость растёт практически линейно от почти 0 при 0^oK до 21,4 Дж/(моль*^o) при предельной температуре ~137^oК. Важный момент - выше этой температуры нагревать вещество кометы не нужно, так как начинается экзотермический процесс кристаллизации льда, а при ~150^oК начинается сублимация льда, которая будет уносить очень много энергии, т.е. дальнейшее подведение тепла будет уноситься сублимацией льда.

Если нагрев начинается с 30^oK при теплоёмкости 4,8 Дж/(моль*^o) и заканчивается при 137^oК с линейным ростом теплоёмкости, то можно использовать среднюю на этом промежутке теплоёмкость 13,1Дж/(моль*^o). Получаем ~1400 Дж/моль или 77,87 кДж/кг.

Теперь нужно также учесть теплоёмкость "камня" в этом диапазоне температур.



Получается грубо 16 кДж/кг для нагрева SiO₂ до температуры 137^oК.

Теперь, считая, что аморфный лёд составляет 1/3 от массы кометного вещества, получаем его вклад в теплоёмкость 26 кДж/кг. Вклад теплоёмкости "камня", соответственно - 11 кДж/кг. Суммарно - 37 кДж/кг.
В тоже время килограмм кометной породы должен выделить 10 г молекулярного кислорода, который окислит до 17,5 г угарного газа, выделив 175 кДж тепла.

Получается, затраты - 37 кДж/кг, выход тепла при сгорании - 175 кДж/кг.
Более аккуратный рассчёт показывает, что всё весьма неплохо!
Запас более чем в 4 раза. Т.е. если вдруг кислорода будет выделяться даже в 4 раза меньше, чем ожидалось, всё равно - энергетический выход будет положителен.

[AlexAV]

Удалось найти оценки удельной теплоёмкости для аморфного льда:
http://www.springer.com/cda/content/document/cda_downloaddocument/9789048128815-c2.pdf?SGWID=0-0-45-1117340-p173905761 (стр. 32)
http://www.nature.com/pj/journal/v42/n7/full/pj201037a.html

Могу добавить ещё одну статью по этому вопросу.

[Андрей Курилов]

Оказалось, что при низких температурах теплоёмкость льда и камня также очень малы, что спасает ситуацию.

[Андрей Курилов]

Есть ещё одно проблемное место - необходимость разделения газов. Чтобы сия схема работала не только как ТЭЦ, но ещё и как ракетная заправка, необходимо отделять часть кислорода и помещать в запас. Кроме того, необходимо отделять газы, обеспечивающие при сгорании наиболее высокий УИ - это метан, этан и ацетилен. Эти три газа суммарно составляют ~ 1 % от всей массы льдов.

То есть, после выделения газовой смеси из кометной породы необходимо смесь подвергнуть фильтрации от пыли и нескольким ступеням сжатия/охлаждения для конденсации и отделения разных газов при разных давлениях.

[Андрей Курилов]

Тройные точки интересующих газов:

#	T, oK	P, кПа
CH3OH, метанол	175,4	0,000187
C2H6, этан	89,89	0,0008
C2H4, этилен	104	0,12
NH3, аммиак	195,4	6,076
CH4, метан	90,68	11,7
CO, угарный газ	68,1	15,37
H2S, сероводород	187,7	23,259
C2H2, ацетилен	192,4	120
O2, кислород	54,37	152
CO2, углекислый газ	216,55	517

[AlexAV]

То есть, после выделения газовой смеси из кометной породы необходимо смесь подвергнуть фильтрации от пыли и нескольким ступеням сжатия/охлаждения для конденсации и отделения разных газов при разных давлениях.

Угарный газ можно конвертировать в чистый водород. Причём даже без предварительного отделения от кислорода.

Т.е. скажем использовать цикл:

1)Ca(OH)2 + CO = 2Ca(COOH)2 (это промышленный способ получения формиата кальция), при этом известь будет поглощать из смеси только угарный газ, кислород с гидроксидами понятно, что не реагирует.
2)2Ca(COOH)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2H2 (нагреваем полученный формат с известью, при этом выделяется чистый водород).
3) CaCO3 = CaO + CO2; CaO + H2O = Ca(OH)2 (регенерируем известь)

Всё лишнее тепло в цикле отправляем в пласт для извлечения газов. 

[Андрей Курилов]

известь будет поглощать из смеси только угарный газ, кислород с гидроксидами понятно, что не реагирует.

А разве не будет реагировать также с углекислым газом, сероводородом и другими примесями?
Отделять, похоже, всё равно придётся. Но кислород и угарный газ имеют наиболее низкие температуры тройных точек, т.е. они последние, что останутся в газовой фазе, когда всё остальное уже сконденсируется. Это облегчает задачу.

[AlexAV]

А разве не будет реагировать также с углекислым газом, сероводородом и другими примесями?

Будут (правда наличие небольшого количества СO2 здесь процессу не мешает, вот H2S действительно примесь совершенно нежелательная). Но конкретно эти компоненты легко отделяются вымораживанием (у нас ведь есть источник бесплатного холода с температурой ниже 100K ). Сложнее разделение летучих компонент. Особенно СO от кислорода. Вариант со сживанием мне не очень нравится, т.к. жидкая смесь СO и O2 попросту весьма взрывоопасна, её образование в установках хотелось бы избежать просто по соображениям безопасности.

[Андрей Курилов]

Смесь СО и О2 остаётся газовой, когда все остальные примеси уже сконденсировались и удалились (Т=70К, Р=15Па). Потом весь угар можно отделить гидроксидом кальция. Остаётся почти чистый кислород с примесями молекулярного азота и инертных газов.

[Андрей Курилов]

Угарный газ можно конвертировать в чистый водород. Причём даже без предварительного отделения от кислорода.

Т.е. скажем использовать цикл:

1)Ca(OH)2 + CO = 2Ca(COOH)2 (это промышленный способ получения формиата кальция), при этом известь будет поглощать из смеси только угарный газ, кислород с гидроксидами понятно, что не реагирует.
2)2Ca(COOH)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2H2 (нагреваем полученный формат с известью, при этом выделяется чистый водород).
3) CaCO3 = CaO + CO2; CaO + H2O = Ca(OH)2 (регенерируем известь)

Всё лишнее тепло в цикле отправляем в пласт для извлечения газов.

Не годится. Первая же реакция потребует нагрева газовой смеси хотя бы до температуры жидкого раствора Ca(OH)2, т.е. до 273К. Очень накладно. К тому же, для предварительной очистки от мешающих примесей вроде сероводорода газовую смесь, наоборот, нужно будет сжимать и охлаждать.

При столь низких температурах, думаю, химические способы разделения газов не годятся. Реакции идти не будут.

[noxx77]

Смесь СО и О2 остаётся газовой, когда все остальные примеси уже сконденсировались и удалились (Т=70К, Р=15Па). Потом весь угар можно отделить гидроксидом кальция. Остаётся почти чистый кислород с примесями молекулярного азота и инертных газов.

А почему потом, а не в процессе постепенного нагревания льда? Тогда остальные примеси ещё не сублимируют. Не нравится мне сам факт образования смеси 02 + СО. Гадская она. Постепенно нагревать в присутствии извести, откачивая кислород, дожигать остатки СО в отткачанном кислороде на гопкалитовом патроне или другом катализаторе. Тепло - в лёд, СО2 - вымораживать.

[Константин ВАРБ]

Не нравится мне сам факт образования смеси 02 + СО. Гадская она.

Кроме антикаталитического действия СО смесь как топливо - идеальна, да она может быть не пропорциональна, ну и что. Вся "гадкость" её в чувствительности к примеси  водорода и содержащих его компонентов которых в ней будет на комете много, но при столь низких температурах вряд ли сделает её опасной, хотя конечно сложная кометная органика возможна и способна к криохимическим реакциям и активации самопроизвольных процессов в ней.

[Андрей Курилов]

А почему потом, а не в процессе постепенного нагревания льда?

Потому что весь СО и О2 таким образом не выделятся. В кометах они продолжают выделяться даже тогда, когда водяной лёд уже сублимирует.

[Константин ВАРБ]

А почему потом, а не в процессе постепенного нагревания льда?

Потому что весь СО и О2 таким образом не выделятся. В кометах они продолжают выделяться даже тогда, когда водяной лёд уже сублимирует.

Это как это? Из флуктуаций вакуума то ль?
См: https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,136287.msg3444880.html#msg3444880

[Инопланетянин]

"Легенда о героях галактики", этакая эпичная космоопера об истории человечества, покоряющего космос. И было там такое событие: беглецы из объединившей всех людей космической империи покинули ее на огромных кометах, превратив их в звездолеты. И вот фантастика прошлого опять всплыла в умах настоящего. Правда, снова как фантастика.))

Ларри Найвена ещё не упоминали? Это он придумал, что на Плутоне может образоваться такая взрывчатая смесь.

[Андрей Курилов]

Это как это? Из флуктуаций вакуума то ль?

Из сублимирующего льда.

[shuricos]

Это как это? Из флуктуаций вакуума то ль?См: https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,136287.msg3444880.html#msg3444880

Лёд сублимирует и ниже тройной точки. Потому она и тройная, что там кроме льда и газа ещё и жидкость есть, а при более низких температурах лёд сразу превращается в пар.

[noxx77]

Потому что весь СО и О2 таким образом не выделятся. В кометах они продолжают выделяться даже тогда, когда водяной лёд уже сублимирует.

Да это понятно. Там противоречие как раз упирается в теплоемкости - чем выше температура, тем она выше, соответственно, греть "дороже" выходит. Где-то должен быть оптимум.