Газовые гиганты - источник термоядерного топлива

[sharp]

Исходим из допущения, что через несколько десятков или сотен лет удастся получить годный для коммерческого использования термоядерный реактор. Первоначально для термояда будет хватать топлива, добытого и произведенного на Земле, однако с ростом энергопотребления цивилизации, а так же в процессе освоения космоса неизбежно встанет вопрос о том, что именно космос должен являться источником топлива для термоядерной энергетики.
Традиционно звучат предложения о добыче топлива на Луне, но добыча на Луне - это граммы и даже миллиграммы добытого сырья на тонны переработанного грунта, и естественным образом возникает вопрос: почему бы не добывать сырье для термоядерного топлива хоть и дальше, но там, где оно сконцентрировано в свободном виде и в гигантских, практически неисчерпаемых количествах? Конечно, речь о газовых гигантах, в первую очередь о ближайшем к нам - Юпитере.

Чем это лучше добычи на Луне и других объектах?
1. Процесс добычи технологически несложен: спускаемый аппарат-шаттл просто летит через атмосферу и захватывает забортный газ, переводя его в сжиженное состояние и накапливая в баллоны, а затем поднимается назад, на орбиту и далее - к пункту назначения (Земле или Марсу).

2. Относительная легкость развертывания. Используя группировку всего несколько сотен КА, можно будет полностью покрывать потребности цивилизации в энергии: достаточно, чтобы примерно раз в неделю очередной КА прибывал к Юпитеру, производил добычу и направлялся в обратный рейс. Таким образом, если полет в одну сторону занимает 2 года, требуется всего лишь 200 КА для непрерывного снабжения.
Тогда как для добычи ТЯ-топлива путем разработки Луны или любого твердого космического тела требуется развертывать на их поверхности мощную добывающую промышленность - тысячи сборщиков и десятки заводов для переработки - неизбежно выводя для этого огромные массы грузов с Земли. Причиной тому - крайне малые концентрации добываемых веществ.

3. Значительно повышаются возможности для колонизации планет и ресурсной разработки планет, а так же спутников Юпитера - за счет того, что решается проблема доступной энергии. Фактически это станет значительным шагом к тому, чтобы стать цивилизацией 2-го типа и полноценной космической цивилизацией.

Предлагаю обсуждать вопросы перспективности такой добычи и того, как наиболее оптимальным образом организовать процесс добычи и переработки.

Проблему собственно создания и введения в широкое применение термоядерного реактора предлагаю оставить за скобками, так как это предмет отдельного обсуждения в другой теме.

[druid3]

спускаемый аппарат-шаттл просто летит через атмосферу и захватывает забортный газ

А разность гравипотенциалов крылышки то не сломит?

...кстати, а что именно Вы так думаете добывать? Водород или никель?

[sharp]

А разность гравипотенциалов крылышки то не сломит?

Не должна. На нейтронную звезду Юпитер не похож, вроде.

...кстати, а что именно Вы так думаете добывать?

Водород.

[snickers]

спускаемый аппарат-шаттл просто летит через атмосферу

мысль гениальная ) у нас на орбите прямо рассадник шатллов.  Которые "просто" летают через атмосферу. Для Юпитера первая космическая - 43 а вторая 61 км/сек. Есть чем из атмосферы Юпитера разогнать "просто шатлл"?

захватывает забортный газ, переводя его в сжиженное состояние и накапливая в баллоны,

Что же "просто шатлл" захватит?? Посмотрим состав атмосферы Юпитера - Два основных компонента атмосферы Юпитера — молекулярный водород и гелий. Конечно же столь редчайшие на Земле элементы дойстоны того что бы их --

поднимается назад, на орбиту и далее - к пункту назначения (Земле или Марсу).

Аффтар вообще не понимает, что тот же гелий-3 в Лунном реголите содержиться из за накопления, принесенный солнечным ветром.

почему бы не добывать сырье для термоядерного топлива хоть и дальше, но там, где оно сконцентрировано в свободном виде и в гигантских, практически неисчерпаемых количествах?

А как гелий-3 будет накапливаться в атмосфере Юпитера которая перемешиваеться?
 А вообще мысль поражает своим размахом) - возить водород и гелий на Землю с Юпитера)).

Предлагаю обсуждать вопросы перспективности такой добычи и того, как наиболее оптимальным образом организовать процесс добычи и переработки.

Никак, у нас нет ни РН ни "шаттлов" способных выйти с гравитационной ямы Юпитера на его орбиту. Так же аффтару перед прожектерством стоит сравнить % содержаение гелия-3 и тяжелого водорода (дейтерия) в единице атмосферы Юпитера и в единице обьема реголита Луны. Это как минимум. И вообще попытаться потом немного подумать). Если получиться и сделать выводы.

[druid3]

Так системе Росси никакой Хелий3 и не нужен! Алюминево-воздушный топливный элемент - выделяет энергию и водород! Научиться его собирать(водород!). Потом греем с никелевым порошком и "итальянский термояд". Боги... та тут на целую звезду хватит ... зачем лететь?

[sharp]

мысль гениальная ) у нас на орбите прямо рассадник шатллов.  Которые "просто" летают через атмосферу. Для Юпитера первая космическая - 43 а вторая 61 км/сек. Есть чем из атмосферы Юпитера разогнать "просто шатлл"?

Конечно, не рассадник, их придется произвести на Земле и запустить в космос. В перспективе - наладить производство составных частей КА полностью в космосе.

Вторая космическая Юпитера - только на первый взгляд проблема. Шаттл будет иметь термоядерный реактор в качестве энергетической установки, а некоторая часть добытых газов будет использоваться в качестве рабочего тела для разгона ионным или плазменным двигателем. Возможно - в отдельной разгонной ступени.
Зато соотношение орбитальных скоростей Юпитера и Земли таково, что, покинув Юпитер по рассчитанной траектории, шаттл может достичь Земли и выйти на ее орбиту, практически не расходуя на это энергию.

Аффтар вообще не понимает, что тот же гелий-3 в Лунном реголите содержиться из за накопления, принесенный солнечным ветром.

Вы, чукча, явно не читатель, а писатель. Перечитайте стартовый пост, а так же поинтересуйтесь концентрацией гелия-3 в лунном реголите. Прикиньте, сколько вам придется копать Луну прежде чем добыча выйдет хотя бы на самоокупаемость.

Конечно же столь редчайшие на Земле элементы

Водород на Земле содержится, главным образом, в составе воды. Используя ее для производства термояда, вы будете необратимо уменьшать ее запасы на Земле, постепенно высушивая климат. Кроме того, для снабжения топливом любых объектов на орбите вам придется производить запуски с Земли, расходуя на это топливо и загрязняя атмосферу.

[sharp]

Так системе Росси никакой Хелий3 и не нужен!

Если использовать протон-протонный цикл, то добыча хелия-3 действительно не нужна.

[crazy_terraformer]

Аффтар вообще не понимает, что тот же гелий-3 в Лунном реголите содержиться из за накопления, принесенный солнечным ветром.

В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта (в тончайшем приповерхностном слое) содержит порядка 0,01 г гелия-3 (до 50 ppb) и 28 г гелия-4.
Большая часть гелия-3 приносилась и приносится в составе солнечного ветра, остальная часть рождена в процессе распада трития, образовавшегося в ходе ядерных реакций скалывания лития под действием альфа-частиц и космических лучей.
Гелий-3 планет-гигантов - это в основном первичный гелий-3, вошедший в их состав из протопланетного облака. Этого гелия-3 полно на Солнце + к вырабатывающемуся в ядре.
Содержание гелия по отношению к водороду в верхних слоя атмосферы Юпитера, согласно таблице ниже, равно He/H=(0,807 ± 0,02)*0,0975=0,0786825±0,00195
По некоторым оценкам запасы ³₂He  на Юпитере составляют 10²⁰тонн.

[LonelyWanderer]

Так системе Росси никакой Хелий3 и не нужен!

Если использовать протон-протонный цикл, то добыча хелия-3 действительно не нужна.

Да ладно, протон-протон это слишком уж жирно, не нужны такие сложности. В мечтах хотя бы дейтерий-дейтерий - его более, чем достаточно повсюду, хватило бы, чтобы терраформировать или даже двигать планеты...

[EvilShurik]

А вот интересно, можно ли в токамаке "невменяемых размеров", километры там, или даже десятки километров плазменной камеры "бублика" зажечь протон-протонный цикл синтеза?
По крайней мере до 700 мегакельвинов плазму в токамаках нагревали. Сложности удержания плазмы убывают пропрорционально размерам "бублика". Поэтому-то термоядерные реакторы так тяготеют к гигантомании.

В космосе можно возвести ТЯР сколь угодно больших размеров. По крайней мере до сотни километров - наверняка. Следовательно, плазму в таком ТЯР можно нагреть до нескольких миллиардов градусов. А при такой температуре протон-протонный синтез идёт весьма охотно. Ещё быстрее будут выгорать продукты синтеза протия. Дейтерий при таких температурах практически сразу присоединит протон, а образовавшийся гелий-3 будет реагировать с другими ядрами гелия-3 и давать гелий-4 и два протона.
Как результат имеем путь и громадный, но мощный ТЯР работающий на самом распространённом топливе Вселенной - протиевом (обычном, протонном) водороде!

Что касается добычи топлива с планет-гигантов, то сколь-нибудь осмысленной такая добыча выглядит только с планет Уран и Нептун. И добывать оттуда лучше всего дейтерий и гелий-3, которого там немало. Впрочем, дейтерий в очень больших количествах есть на Марсе - его там в относительном содержании раз в десять больше чем на Земле. Т. е. если на Земле одно ядро дейтерия попадается на шесть тысяч пятьсот обычных протонов - ядер атомов водорода, то на Марсе - уже на шестьсот протонов! Соответственно, добывать дейтерий на Марсе - проще.

[crazy_terraformer]

...кстати, а что именно Вы так думаете добывать?

Водород.

Сжиженный водород - протий как термоядерное топливо в протон-протонном цикле неудобен, там большая часть энергии уносится нейтрино. Для иных циклов с использованием протия его количество на Земле(для использования на Земле) и меньших небесных телах, содержащих воду предостаточно.
Остаётся применение твердого металлического водорода,если можно его получить в промышленных масштабах в достаточно стабильном состоянии.
При переходе в молекулярное состояние он даст на 1 кг энергии больше в 20 раз, чем сжигание 1кг водорода в кислороде. Однако даже если это вещество можно производить, где взять энергию?
Придётся либо жечь дейтерий или гелий-3 и терять энергию в результате многочисленных преобразований. Либо получать энергию извне с орбиты из сети трансиверов солнечной энергии, если такую можно построить, тогда есть смысл использовать бесполезно выбрасываемую Солнцем энергию, которую человечество не надо будет задействовать в других проектах.
Опять-таки  нет смысла добывать водород на планете-гиганте, если можно получить его из воды или льда на распространённых спутниках планет-гигантов, или на Плутоне-Хароне и далее.
Я исхожу из допущения, что доставка водорода из атмосферы планеты-гиганта будет энергетически дороже его добычи из воды на спутниках планет-гигантов, карликовых-планетах и др. малых телах СС и доставки оттуда.
Таким образом единственное что надо добывать - это гелий-3 из атмосферы планеты-гиганта и возможно дейтерий, сбрасывая балласт в виде протия и гелия-4. Хотя добывать немного гелия-4 это тоже неплохо для других нужд.

[LonelyWanderer]

1. Процесс добычи технологически несложен: спускаемый аппарат-шаттл просто летит через атмосферу и захватывает забортный газ, переводя его в сжиженное состояние и накапливая в баллоны, а затем поднимается назад, на орбиту и далее - к пункту назначения (Земле или Марсу).

Сколько он может захватить газа, не потеряв скорость движения настолько, чтобы не упасть на планету? Сдаётся мне, что это лишь несколько процентов от массы корабля, и то, если он движется по пролётной траектории, а не по орбите с перигелием в верхних слоях атмосферы, иначе это будет лишь доли процента массы корабля.

2. Относительная легкость развертывания. Используя группировку всего несколько сотен КА, можно будет полностью покрывать потребности цивилизации в энергии: достаточно, чтобы примерно раз в неделю очередной КА прибывал к Юпитеру, производил добычу и направлялся в обратный рейс. Таким образом, если полет в одну сторону занимает 2 года, требуется всего лишь 200 КА для непрерывного снабжения.

Откуда эти цифры? Наобум? Тут нужно считать. Взять массу корабля, пусть это будет шаттл. Посчитать, какая его будет скорость на входе в атмосферу, и какая должна быть на выходе при заборе газов за счёт импульса торможения, но чтобы она была не меньше 1-й космической - эта величина будет зависеть от массы забираемых газов. Аэродинамическим сопротивлением пока пренебрежём. А потом нужно выделить из этих газов гелий-3. Если там процентное  его содержание, как в лунных породах, то это 0,043 % от гелия-4 и ещё меньше от массы всех газов. Таким образом, получаем массу собранного гелия-3. Затем считаем, сколько нам нужно этого вещества, и рассчитываем необходимую периодичность полётов и количество необходимых шаттлов.

[LonelyWanderer]

Отдельно нужно коснуться выбора планеты-гиганта для добычи гелия-3. Тут есть большая разница.
Чтобы можно было захватить как можно больше атмосферных газов, скорость входа шаттла в верхнюю атмосферу должна быть минимально возможной, т.к. чем больше скорость, тем больше аэродинамическое сопротивление (которое растёт пропорционально квадрату скорости, т.е. рост потерь кинетической энергии будут гораздо больше роста массы забираемых газов; здесь можно привести пример самолётов, предназначенных для тушения лесных пожаров, забирающих воду с водоёмов на ходу - при незначительной потери скорости они забирают большую массу воды).
Здесь нужно рассчитать 2-ю космическую скорость (или 1-ю, в зависимости от схемы полёта), и скорость вращения планеты.

Итак:

Юпитер:
2-я космическая скорость - 59,5 км/с;
скорость вращения экватора - 12,6 км/с;
разность - 46,9 км/с;
содержание гелия в атмосфере - 10,2%;

Сатурн:
2-я космическая скорость - 35,5 км/с;
скорость вращения экватора - 9,87 км/с;
разность - 25,63 км/с;
содержание гелия в атмосфере - 3,25 %;

Уран:
2-я космическая скорость - 21,3 км/с;
скорость вращения экватора - 2,59 км/с;
разность - 18,71 км/с;
содержание гелия в атмосфере - 26,2 %;

Нептун:
2-я космическая скорость - 23,5 км/с;
скорость вращения экватора - 2,68 км/с;
разность - 20,82 км/с.
содержание гелия в атмосфере - 19 %;

Как видно из цифр, абсолютным победителем здесь является Уран по всем показателям, и в сумме их эффективность добычи там будет выше в разы, чем на других планетах.

[Nucleosome]

Опять-таки  нет смысла добывать водород на планете-гиганте, если можно получить его из воды или льда на распространённых спутниках планет-гигантов, или на Плутоне-Хароне и далее.

конено можно, но только пока они не кончаться. Юпитер же больше, чем всё прочее (кроме Солнца конечно) вместе взятое, потому кончится позже всех по любому. правда по этой же причине и взять с него что-либо труднее...

Сдаётся мне, что это лишь несколько процентов от массы корабля, и то, если он движется по пролётной траектории, а не по орбите с перигелием в верхних слоях атмосферы, иначе это будет лишь доли процента массы корабля.

думаю, что процесс лучше усложнить - сами шатлы не только собирают газ, но и выделяют из него дейтерий, который и везут. хотя конечно это их утежелит, но учитывая, что полезная нагрузка резко "удорожает" думается это имеет смысл

[crazy_terraformer]

А потом нужно выделить из этих газов гелий-3. Если там процентное  его содержание, как в лунных породах, то это 0,043 % от гелия-4 и ещё меньше от массы всех газов. Таким образом, получаем массу собранного гелия-3. Затем считаем, сколько нам нужно этого вещества, и рассчитываем необходимую периодичность полётов и количество необходимых шаттлов.

Масса Юпитера =1,8986·10²⁷ кг
Масса Земли=5,9726·10²⁴ кг
Масса Юпитера без каменно-металлического ядра=Масса Юпитера-10 Земель=1,8986·10²⁷ кг-5,9726·10²⁵ кг=(189,86-5,9726)·10²⁵ кг
Масса Юпа без кам-мет.ядра=1,838874·10²⁷ кг
Основная масса это водород, если считать, что содержание гелия одинаково во всех слоях и равно содержанию в верхних слоях по отношению к водороду 0,0786825±0,00195.
mHe=(0,0786825±0,00195)_*1,838874·10²⁷ кг=(0,144687203505±0,0035858043)·10²⁷
mHe=~(1,4469±0,0359)·10²⁶ кг=~(1,4469±0,0359)·10²³ тонна
Я нашёл одно упоминание, что масса гелия-3 порядка 10²⁰тонн, но это данные не имеющие ссылок на научную литературу.
Юпитер получил этот гелий-3 оттуда же откуда протосолнце - аккрецией из протопланетной туманности, а также с поставками кометами и планетезималями, поэтому его содержание должно быть больше чем в реголите.

[LonelyWanderer]

В посту N 12 я добавил содержание гелия в атмосфере (при условии равенства доли содержания гелия-3), из чего сделал вывод, что более всего подходит для добычи этого газа Уран, причём намного лучше остальных планет.

[snickers]

Куб водорода весит около 90 грамм. Каков обьем "шаттла" нужен для тонны водорода? А для 10 тонн?
У нас уже кстати есть термояд? Вполне вероятно что его не будет в принципе.

конено можно, но только пока они не кончаться.

У нас проблемы с водой? Пока ее даже жечь не в чем, нет термоядерного реактора.

Взять массу корабля, пусть это будет шаттл. Посчитать, какая его будет скорость на входе в атмосферу, и какая должна быть на выходе при заборе газов

Что будет топливом у такого корабля? Та же вода по сути (ее компоненты) или инертные газы, сколько тонн надо их сжечь что бы выйти из гравитационного колодца того же Юпитера?  Выиграли в лоторею миллион, пропили, сдали бутылки купили Запорожец? Вам это не напоминает такой вариант?

[crazy_terraformer]

Юпитер:
2-я космическая скорость - 59,5 км/с;
скорость вращения экватора - 12,6 км/с;
разность - 46,9 км/с;
содержание гелия в атмосфере - 10,2%;
Сатурн:
2-я космическая скорость - 35,5 км/с;
скорость вращения экватора - 9,87 км/с;
разность - 25,63 км/с;
содержание гелия в атмосфере - 3,25 %;
Уран:
2-я космическая скорость - 21,3 км/с;
скорость вращения экватора - 2,59 км/с;
разность - 18,71 км/с;
содержание гелия в атмосфере - 26,2 %;
Нептун:
2-я космическая скорость - 23,5 км/с;
скорость вращения экватора - 2,68 км/с;
разность - 20,82 км/с.
содержание гелия в атмосфере - 19 %;
Как видно из цифр, абсолютным победителем здесь является Уран по всем показателям, и в сумме их эффективность добычи там будет выше в разы, чем на других планетах.

А где вы взяли показатели по гелию?
Не стоит забывать о температурной нагрузке при прохождении через атмосферу благодаря работе воздухозаборников, причём она будет приходится именно на них.
Смысл в этих универсальных аппаратах(сбор и сжижение газов) имеется, если будет технология быстрого выделения гелия-3 и дейтерия, либо если в энергетическом плане добыча и доставка больших количеств водорода с планеты-гиганта будет дешевле электролиза воды на более мелких телах СС. Либо как указал Nucleosome вода когда-нибудь кончится, но это произойдёт максимум ч/з миллионы лет, вопрос только куда она уйдёт.

[LonelyWanderer]

думаю, что процесс лучше усложнить - сами шатлы не только собирают газ, но и выделяют из него дейтерий, который и везут. хотя конечно это их утежелит, но учитывая, что полезная нагрузка резко "удорожает" думается это имеет смысл

Дейтерий вообще не имеет смысл там собирать, его в воде на спутниках море. Только гелий-3. Но вряд-ли его можно выделять непосредственно на спускаемом в атмосферу корабле, это должна быть отдельная инфраструктура.

[LonelyWanderer]

Юпитер:
2-я космическая скорость - 59,5 км/с;
скорость вращения экватора - 12,6 км/с;
разность - 46,9 км/с;
содержание гелия в атмосфере - 10,2%;
Сатурн:
2-я космическая скорость - 35,5 км/с;
скорость вращения экватора - 9,87 км/с;
разность - 25,63 км/с;
содержание гелия в атмосфере - 3,25 %;
Уран:
2-я космическая скорость - 21,3 км/с;
скорость вращения экватора - 2,59 км/с;
разность - 18,71 км/с;
содержание гелия в атмосфере - 26,2 %;
Нептун:
2-я космическая скорость - 23,5 км/с;
скорость вращения экватора - 2,68 км/с;
разность - 20,82 км/с.
содержание гелия в атмосфере - 19 %;
Как видно из цифр, абсолютным победителем здесь является Уран по всем показателям, и в сумме их эффективность добычи там будет выше в разы, чем на других планетах.

А где вы взяли показатели по гелию?
Не стоит забывать о температурной нагрузке при прохождении через атмосферу благодаря работе воздухозаборников, причём она будет приходится именно на них.

Да не парился долго, в википедии. Повышенное содержание гелия в Уране легко объяснимо, т.к. эта планета наименьшая из планет-гигантов по массе: повышенное содержание гелия означает пониженное содержание водорода, в процессе формирования этой планеты из протопланетного облака водород плохо накапливался там, улетучивался, поэтому и пропорции гелия больше. В Нептуне, например, имеющим бОльшую массу гелия уже поменьше, а в Юпитере и Сатурне ещё меньше - они много накачали в себя водорода. Хотя не понятно, почему в Юпитере гелия больше, чем в Сатурне, здесь, наверное, его географическое положение сыграло роль.