Комета - топливная заправка для химических ракет

[ВадимZero]

Кстати, а если у нас какие то основания пологать, что астероиды(пояса астероидов) в плане топливо образуещих схем сильно отличаются от комет?

[shuricos]

Да, прошу извинить.
Вот http://blogs.esa.int/rosetta/2015/10/28/first-detection-of-molecular-oxygen-at-a-comet/ здесь как раз о 3.8% О2 говорится. Но не от массы кометы, а относительно массы воды в ней.

[Андрей Курилов]

Но не от массы кометы, а относительно массы воды в ней.

Поэтому я грубо закладывал содержание молекулярного кислорода в комете 1%. Вопросы?

[Андрей Курилов]

Температура вещества = 10К.
Температура начала горения = 973К.
Т.е. вещество надо нагреть на 963К.

Теплоёмкость СО = 29,11 Дж/(моль*К).
Чтобы нагреть 2 моль СО на 963К, понадобится 56 065,86 Дж.

Теплоёмкость О2 = 29,4 Дж/(моль*К).
Чтобы нагреть 1 моль О2 на 963К, понадобится 28 312,2 Дж.

Суммарно нужно, получается, примерно 84 кДж.
Это я ещё не считал потери при фазовых переходах из твёрдого в жидкое, а потом в газообразное состояние.
Там ещё есть перемена в теплоёмкости в зависимости от температуры, ну да ладно.

Теплота сгорания 2СО+О2 составляет 257 кДж.
Выходит, что тепловой баланс сходится с большим плюсом (при горении выделяется примерно в 3 раза больше тепла, чем затрачено на нагрев вещества до температуры горения).

Интересная прикидка, спасибо. Тут получается, правда, что если греть и жечь сразу сырое вещество кометы, то положительного баланса не будет. Т.е. комета сама по себе не горюча. Но вот истекающие при незначительном нагреве газы - очень даже.

[shuricos]

Кстати, в кометном веществе также очень много угарного газа. Получается, что вся летучая составляющая состоит в основном из H₂O, CO₂, CO и O2.
Т.е. нагревая кусок кометы, можно сразу же заставить выделяющиеся газы вступать в реакцию, из которых наиболее предпочтительной будет вот эта:
2CO + O₂ → 2CO₂ + Q
Т.е. на сжигание 56 кг угара потребуется 32 кг кислорода. В кометном веществе угарного газа как раз примерно в 1,5-2 раза больше, чем молекулярного кислорода.
Q реакции горения угара составляет 10 МДж/кг, т.е. кубометр кометной породы даёт в таком случае ~ 100 МДж тепла.

А вот 100 МДж в таком раскладе уже не хватает!
Вы считаете массу кубометра в 1000 кг, видимо.
Теплоёмкость водяного льда будет в средем чуть менее 2 кДж/(кг×К).

Чтобы 1000 кг льда нагреть на 200 градусов, понадобится 2×200×1000 кДж =400 МДж, т.е. в 4 раза больше, чем получим при горении СО в О2. И это мы лёд даже не растопили.

Впрочем, там сублимация водяного льда может помочь.

[Андрей Курилов]

А вот 100 МДж в таком раскладе уже не хватает!

Да-да, я как раз чуть выше об этом говорю. Сырое кометное вещество "не горит". Это и отвечает на вопрос, почему же кометы не разуплотняются целиком при ударе метеорита. Однако достаточно вещество лишь чуть-чуть нагреть (примерно до 100 К), чтобы из него получить смесь газов, которые будут отлично гореть с положительным балансом.

Интересно будет прикинуть, сколько нужно энергии, чтобы прогреть тонну (не кубометр) кометного вещества с 25-50^oK до 100^oK. Тонна выделит 10 кг молекулярного кислорода, т.е. при сгорании этого кол-ва выделившихся газов будет 175 МДж тепла...

[Андрей Курилов]

Теплоёмкость "камня" можно оценить по табличным значениям, например, для асфальта (неплохое приближение к веществу кометы, что также представляет из себя смесь органики и камня) - 920 Дж/кг*К, цемент - 880, гранит - 790, песок - 880, почва - 800. Для льда, соответственно - 2110. Считая кометное вещество на 2/3 состоящим из "асфальта" и на 1/3 из льда можно оценить среднюю теплоёмкость как 1300 Дж/кг*К. Т.е. для прогрева тонны на 75 градусов потребуется 97,5 МДж.

Получилось примерно в 2 раза меньше, чем выделяется при сгорании высвобождающихся газов.

[shuricos]

Теплота сублимации водяного льда при 0°С составляет 2834 кДж/кг.
Чем ниже температура, тем потребная теплота сублимации выше, но рост медленный - примерно по 1 кДж на 10° падения.
Но даже если считать по 2834 кДж/кг, то для сублимации 1000 кг льда требуется 2834 МДж, в 28+ раз больше, чем выделится при горении.

Тут возможна хитрость.
Если комету закрыть в герметичный мешок, начать испарять часть его вещества, поднять таким образом давление, чтобы исключить сублимацию (она жрёт много теплоты!), то оставшееся вещество кометы можно расплавить, а из расплава газы отделить проще.

Теплота плавления намного ниже теплоты сублимации - всего  332,4 кДж/кг. Т.е. для плавления 1000 кг льда достаточно 332.4 МДж.
Но всё равно - не хватает!

[Андрей Курилов]

shuricos, не надо плавить/сублимировать водяной лёд. Нужные газы выделяются уже при 100^oK. Без сублимации льда, это конечно, будет происходить медленнее, но таки будет же.

[-Asket-]

Скачать статью: Abundant molecular oxygen in the coma of comet 67P/Churyumov–Gerasimenko Nature  526, 678–681 (29 October 2015)
Немного на русском: Кислород на комете

[mbrane]

1. Сколько нужно "сожрать" кислорода и углеводородов, что бы запустить необходимый проект (оборудование) с Земли.
2. Сколько энергии нужно что-бы добыть 1 кг. кислорода. (Т.е. аналог "Розетты" должен тащить с собой источник энергии с Земли, см. также п. 1).
3. А каковы запасы окислителя/топлива на 1 (одной) комете - достаточно это хотя бы для того, что бы перепрыгнуть с одной кометы на другую (вы же сами здесь как-то писали, что относительные скорости таких объектов около 10 км/сек.)

Интуиция подсказываете, что энергобаланс здесь скорее всего отрицательный.

+100500

[mbrane]

Если вы самого себя убедили что  EROI следствие второго начала...то уже не чего не поделаешь. Для меня  EROI ускоспециальный экономический термин, который имеет смысл использовать в узком спектре ситуаций. А экономика и физика это уже две большие разницы...

то камрад Вадим от незнания матчасти...Я вам поясню  exergy returm on exergy invested...то есть берутся и считаются все зэнергозатраты на получение эксергии необходимого качества  в ограниченном некторой поверхностью объеме...В состав энергозатрат входит все первичные нагревы , охлаждения, очистки, концентрации, далее капитальная часть тоже пересчитывается в ксэргию (то есть беруться затраты на добычу материалов, переработку, получение готовых изделий, транспорт к месту и пр.)все складывается - получаем exergy inested...Берем поток стнадартизованного сырья полученного в результате операций умнождаем на табличные значения (с учетом окружения) получаем exergy return ...делим одно на другое получаем EROI

[shuricos]

shuricos, не надо плавить/сублимировать водяной лёд. Нужные газы выделяются уже при 100^oK. Без сублимации льда, это конечно, будет происходить медленнее, но таки будет же.

Имеете в виду, что вещество кометы достаточно пористое, чтобы кислород из её недр свободно выходил наружу? Вполне допускаю.
Но значительная его часть будет оставаться внутри, в порах. Хватит ли той части, которая выйдет, для реакции? Сложно сказать.

[noxx77]

Хорошо, давайте прикинем ориентировочно на примере миссию с кометной дозаправкой.
1) Цели миссии,
2) Оборудование, исходя из целей. Учитываем, что, буквально всё, кроме топлива, придётся тащить с собой.
3) Чем доставлять на комету и во что обойдется.

[noxx77]

Имеете в виду, что вещество кометы достаточно пористое, чтобы кислород из её недр свободно выходил наружу? Вполне допускаю.
Но значительная его часть будет оставаться внутри, в порах. Хватит ли той части, которая выйдет, для реакции? Сложно сказать.

Кхм, для собственно реакции хватит и пары граммов.

[Nucleosome]

А при расчете  EROI от этого термина не как не уйти, а ведь он вносит большую долю субъективности.

ну таков уж наш мир - пока его процессы независимы от наших желаний и хотелок - он вполне объективен, а когда приходит так сказать "социональный фактор", то уж начинается - и то кому-то не так, и это... однако более доступным метан с титана или тепло солнечного ядра это никак не делает. к примеру если б мы имели б свойства глубоководных креветок каких-нибудь - то энергия гидротерм была бы для нас доступнее, а если бы тихоходок - то с комет. однако объективно мы не те и не другие.

[mbrane]

к экономике он имеет весьма отдалённое отношение. второе начало тут притом, что чем энергия более рассеянная, тем он ниже. ну конечно в целом... в ядре солнца энергия очень концентрированная, но взять её оттуда непосредственно возмодным не представляется например.

тут вы абсолютно неправы...В ядре солнца при пересчете на кг - энергии меньше чем в тлеющих листьях....Определяющей стадия сккорость энерговыделения это синетез из двух протонов - дейтерия. Это слабое взаимодействие и сечение реакции ну очень маленькое - посему и удельное энерговыделение невелико...Огромные масштабы общего выделения энергии объясняются просто огромной массой самого солнца и высоко характерной энергией выделяющеся в результате ядерных реакций - единицы-десяток Мэв на один жлементарный акт...

[shuricos]

Учитываем, что, буквально всё, кроме топлива, придётся тащить с собой.

Думаю, что оборудование надо тащить один раз и на много-много миссий.

1) Цели миссии

1. Извлечение топлива и окислителя из ледяных тел Главного пояса астероидов и их доставка к Земле для заправки разгонных блоков межпланетных станций.
2. Заправка в Главном поясе астероидов беспилотных аппаратов, летящих в пояс Койпера.

[shuricos]

Имеете в виду, что вещество кометы достаточно пористое, чтобы кислород из её недр свободно выходил наружу? Вполне допускаю.
Но значительная его часть будет оставаться внутри, в порах. Хватит ли той части, которая выйдет, для реакции? Сложно сказать.

Кхм, для собственно реакции хватит и пары граммов.

Имею в виду (грубо говоря, мягко выражаясь): хватит ли тех газов, которые выделились из 1 куб.м. нагретой на 80 градусов породы, чтобы нагреть на 80 градусов следующий кубометр.

[noxx77]

До 100К можно нагреть и изотопником - вообще не проблема. Шара здесь уже хотя бы реактивная масса, которую не надо тащить с Земли. В этом смысле даже банальный электролиз воды дал бы преимущества перед миссией без дозаправки, если иметь вагон времени.

У нас же по условиям, не просто масса, а готовые топливо+окислитель, причём для извлечения нужно в основном тепло. РИТЭГи дают ~5% эффективности преобразования тепла в электричество на термопаре. Отсюда, процесс простого нагрева льда до выделения газов будет эффективнее электролиза в разы, если не на порядки: просто берём и греем. На Кассини изотопник на 4,4 киловатта тепловой и  0,3 киловатта электрической, при 56-59 килограммах массы, считайте сами.