Технология металлов и неметаллов на Луне.

[Nwimki]

Как добывать титан, нам самим придумывать не надо, так как это уже придумано за нас. На картинке ниже - два способа отделения ильменита от прочих пород, один с помощью магнитного поля (ильменит - слабомагнитный минерал), а второй - разделением по плотности промывкой водой на столе. На этот второй способ нужно особенно обратить внимание, поскольку здесь выше в теме для разделения различных веществ по плотности выбирали экзотические плотные жидкости, в которых одни породы будут всплывать, а другие - тонуть. Как видим, можно поступить проще и обойтись обычной водой, которая, хотя и менее плотна, чем любая горная порода, всё же позволяет разделить их по плотности:


Возможно, кто-то подумает: а растворимые хлориды мы так по плотности не разделим, они же растворятся в воде? Ответ очень прост: не растворятся, если использовать насыщенный раствор. Поэтому можно вместо труднодоступных на Луне бромида фосфора и CrO₂Cl₂ использовать обычную добытую на полюсах воду. Сначала хлориды растворятся в ней до насыщения, а потом пойдёт разделение.

[Nwimki]

Итак, когда мы выделим из руды ильменит, останется выплавить из него титан. Сложность выплавки титана в том, что малейшие примеси кислорода и азота в металле делают его хрупким и непригодным к использованию. Если выплавлять титан непосредственно из ильменита с помощью любого из традиционных восстановителей - угля, водорода, металлического кальция - небольшая часть кислорода неизбежно останется, и будет загрязнять металл. Перегонка ильменита в вакууме тоже даст не металлический титан, а низший оксид TiO, который в газообразном состоянии устойчив чуть ли не до +4500 градусов.  Именно поэтому, на Земле ли, на Луне ли, титан предпочитают выплавлять через галогениды, прежде всего TiCl4 (TiF4, TiBr4, TiJ4 тоже годится, но хлор обычно добыть проще).

[Nwimki]

Недостаток ильменита в том, что он содержит примерно столько же железа, сколько и титана. Их можно разделять либо до хлорирования, либо после.
- если после хлорирования, поскольку TiCl₄  не полностью отделяется от примеси FeCl₃ перегонкой, нужно сначала восстановить эту примесь до FeCl2 металлическим железом, а из FeCl2 возвращать хлор в цикл электролизом.
- Но проще будет, пожалуй, разделять до хлорирования. В этом варианте ильменит разлагают серной кислотой (получаемой на месте из лунной серы), а затем отделяют двуокись титана от сульфата железа гидролизом:
FeTiO3 + 2H2SO4 = TiOSO4 + FeSO4 + 2H2O
Концентрированная серная кислота разлагает ильменит за несколько часов при нагревании до +180°, смесь при этом саморазогревается, поэтому экономят энергию, нагревая лишь первую порцию реагентов. После окончания реакции, когда смесь остывает, большая часть железа выпадает в осадок в виде железного купороса. Из него можно возвратить серную кислоту и воду обратно в цикл прокаливанием.
Сульфат титана гидролизуется и двуокись титана выпадает в осадок при добавлении воды и кипячении
TiOSO4 + H2O = TiO2 + H2SO4
Особенно хорошо то, что сульфат титана гидролизуется намного легче остальных солей. Поэтому большая часть примесей при этом остаётся в растворе, и мы в результате получим особенно чистый титан. Раствор после гидролиза содержит примерно 17% серной кислоты, на Земле её используют для производства удобрений, а на Луне можно перегонять и регенерировать для возвращения серной кислоты в цикл.

Теперь у нас есть чистая двуокись титана, которую лишь надо прокалить для удаления воды.
Связь титана с кислородом очень прочна, поэтому одного хлора для перевода двуокиси в тетрахлорид недостаточно. На Земле для связывания кислорода используют дешёвый уголь:
TiO2 + 2Cl2 + C = TiCl4 + CO2
Если использовать этот способ на Луне, то уголь пришлось бы возить с Земли. Месторождений угля на Луне не должно быть, поскольку там не было жизни. Правда, на Луну падали углистые хондриты во множестве, но при этом вещество метеорита от удара на большой скорости распыляется и смешивается с реголитом, и выделить его было бы непросто. Поэтому будем считать, что уголь недоступен.
К счастью, есть альтернативный способ, который редко используется на Земле из-за дешевизны угля - хлорирование с хлоридом серы (и серу, и хлор добудем на Луне) при +410:
2TiO2 + 3Cl2 + S2Cl2 = 2TiCl4 + 2SO2
Дальше жидкий тетрахлорид титана очищают от оставшихся примесей перегонкой. Но примесь ванадия при перегонке не отделяется. Поскольку ванадий - ценный металл, можно усложнить процесс, добавляя порошок меди и пропуская сероводород при +90°, ванадий при этом выпадает в осадок в форме VOCl2. Таким образом, мы сможем добывать ванадий на Луне, даже если не найдём ванадиевых руд. Но можно и пропустить этот этап, тогда у нас конечным продуктом будет титан с небольшой примесью ванадия.
Лучшим восстановителем для выплавки титана из тетрахлорида признан металлический магний, который легко добыть из лунных пород:
TiCl4 + 2Mg = Ti +2MgCl2
Реакцию проводят при +850 - +950°. На Луне выплавлять титан проще, чем на Земле, потому что нет мешающей кислородной атмосферы и нет нужды в дополнительных процессах вроде продувки реактора инертным газом или откачивания воздуха.
В результате получается титановая губка, которую прокаливают в вакууме для удаления отстатков хлорида магния, и прессуют, получая компактный ковкий титан чистотой 99,999%.

Если на Луне в местах прошлой вулканической активности удастся найти залежи флюорита (а фтора на Луне больше, чем хлора, так что это не исключено), можно будет вместо TiCl4 использовать TiF4. В книгах пишут, что он легко очищается сублимацией, и в отличие от тетрахлорида его можно восстанавливать чистым кремнием, причём удивительным образом кремний при этом не загрязняет титан - его примесь будет только 0,009%.

Титан - очень хороший металл для Луны. На Луне вы даже можете построить обычную кузницу, нагреть кусок титана и ковать его молотком. А на Земле по вине атмосферы это так просто сделать не получится. Сейчас это может выглядеть фантастикой, но, возможно, в будущем на Луне будет полностью роботизированный завод, который будет из местных материалов плавить титан, штамповать титановые изделия и отправлять их на Землю, на Марс и в пояс астероидов регулярными рейсами.

[Nwimki]

Иллюстрация из будущего: робот-кузнец готов ковать титан на Луне. Справа - отсек для производства и регенерации серной кислоты, видны потёки серы. Слева  вдали - жилой отсек для людей-инспекторов лунного роботизированного завода.

[Dem]

А так ли нужна база на полюсе? Что там на полюсах такого кроме воды, которая не факт что нужна будет?

[Polnoch Ксю]

А так ли нужна база на полюсе? Что там на полюсах такого кроме воды, которая не факт что нужна будет?

полюс света и тьмы. Прям рядом место, где вечный день, и где вечная ночь. Очень полезно для промышленности и энергетики. Вода тоже очень нужна - на магнитной катапульте на Луну не приземлишься, нужен ракетный лэндер. Ему нужно рабочее тело, даже если он будет тепловым ядерным.

[Изобретатель]

Хорошо. Понятно. Но у нас проблема. У нас нет 10-20 лунных баз разбросанных по Луне.
У нас она ОДНА. На Южном полюсе Луны. Ну или на Северном полюсе Луны.
И дорог никаких на Луне пока нет, ни автомобильных, ни железных.
На Луне нужно развивать транспорт, ничего не поделаешь. И для освоения Луны понадобится много баз, а не одна, тут тоже ничего не поделаешь. Неужели гусеничный вездеход с большими солнечными батареями так уж невозможен на Луне? Или рельсотрон, стреляющий на дальние расстояния грузами, заключёнными в защитную упругую оболочку? Или был ещё проект в 1960-е годы прыгающей машины с выдвижным стержнем, которым она отталкивалась от грунта и передвигалась прыжками?

Нее...На Луне с её малой гравитацией тросовые системы самое-то.Натягиваем тросы,по ним бегут тележки... А главное никакой пыли! И пожалуй поровнее чем асфальт! Во!
В источниках это вроде называлось :Струнный транспорт.

[Изобретатель]

Извлекать все нужные вещества из одной породы под ногами - это очень сложная технология. В принципе это возможно - так делают растения и грибы. Но человеческая цивилизация ещё не достигла такого уровня.

Есть более "варварский способ". Дробная плавка,нечто подобное крекингу нефти. Старая добрая перекристаллизация. Ну и центрифуга им в помощь. Главное,солнечной энергии на Луне для этого безмерное количество.

[Nwimki]

Если бы этот варварский способ был хорош, мы бы и на Земле получали бы все полезные металлы из обычных гранита и базальта. Поэтому тут нужно разрабатывать более сложную технологию, взяв за образец растения и грибы. Пока можно только приблизительно представить, как она будет выглядеть. Например, реголит или материал астероида сначала растворяют, потом пропускают раствор через множество тонких капилляров, стенки которых покрыты 90 разновидностями смолы, селективно связывающими каждый из содержащихся в растворе элементов. При насыщении участка смолы этот участок покрытия собирается и уносится нанороболтами, из него выделяется элемент и участок возвращается на место. Примерно где-то так. Может что-то придётся изменить в этой схеме. Во всяком случае суть метода в разработке множества селективных реагентов, разделяющих раствор сразу и полностью, включая даже компоненты с низкой концентрацией, без сложных многостадийных разделений. Как плохи традиционные способы для выделения компонентов с низкой концентрацией, видно на примере добычи радия из урановой руды в начале 20 века. А вот статья, где идут по другому, правильному пути и сделан ещё один маленький шажок в этом направлении:
https://elementy.ru/novosti_nauki/433436/Novyy_adsorbent_selektivno_izvlekaet_uran_iz_morskoy_vody
Разумеется, для выделения всех веществ из раствора, а не одного, нужно ещё много исследований. Поэтому сейчас человечество пока не готово создать такую технологию, но в будущем.... Кто знает, может и получится.

[библиограф]

 А чего, нанороботы не смогут сортировать частицы реголита, выделяя зерна нужных минералов.?
Ручная рудоразборка - вот как это называлось.
Урановые руды, когда месторождения были богатыми, так и обогащали - в Канаде, Чехословакии и в Заире.

   Как плохи традиционные способы для выделения компонентов с низкой концентрацией, видно на примере добычи радия из урановой руды в начале 20 века.   

Что ты можешь знать об этом?
Вот так добывали радий в СССР
https://nashural.ru/interesnoe/chast-ii-vodnyj-promysel/
А вот как добывают сейчас золото технологией кучного выщелачивания в Узбекистане.
Если содержание нужного компонента - граммы на кубометр, неизбежно придётся обрабатывать большие объемы породы.
Радия в урановой руде на два порядка меньше, Гелия-3 в реголите - на три порядка.
Нанороботы могли бы выбирать золотинки из песка, а с ураном и гелием так не выйдет!
Только в сказке Старик Хоттабыч
  Индия – очень богата золотом, которое добывают особые, золотоносные муравьи, каждый из которых величиной почти с собаку. Они роют себе жилища под землею и трижды в сутки выносят оттуда на поверхность золотой песок и самородки и складывают в большие кучи. Но горе тем индийцам, которые без должной сноровки попытаются похитить это золото! 
Отсылка к Геродоту
https://en.wikipedia.org/wiki/Gold-digging_ant

[Nwimki]

Смогут, но этого будет недостаточно. Очень многие элементы не образуют собственных минералов в реголите и находятся в виде примесей. Например, европий в восстановленном двухвалентном состоянии находится в виде примеси, замещая кальций в лунном плагиоклазе. Робот отделит зёрна плагиоклаза из реголита, что дальше? Там всё равно кальция в 10000 раз больше чем европия, и как нам выделить нужный европий?

Что ты можешь знать об этом? Вот так добывали радий в СССР

Вообще-то здесь принято общаться на вы. Использовать труд 3329 человек, чтобы добывать всего лишь 16,5-17,5 граммов радия в год - это и есть примитивная технология.

[библиограф]

 Ты здесь меньше месяца подвизаешься, я - четверь века. Дальше что?
Ну, добыли  европий из реголита, а зачем нужен европий на Луне?

   Использовать труд 3329 человек, чтобы добывать всего лишь 16,5-17,5 граммов радия в год - это и есть примитивная технология.   

Сейчас понадобилось бы вдесятеро меньше работников, но, всё равно, при содержании радия  доли миллиграмма  на кубометр воды -
технология улавливания имела непревзойдённую эффективность, даже по современным понятиям.
Да, фракционную перекристаллизацию на последней стадии заменили бы на ионный обмен, но это небольшое улучшение,
в смысле эффективности и производительности труда.

[Изобретатель]

Если бы этот варварский способ был хорош, мы бы и на Земле получали бы все полезные металлы из обычных гранита и базальта. Поэтому тут нужно разрабатывать более сложную технологию, взяв за образец растения и грибы. Пока можно только приблизительно предстаить, как она будет выглядеть. При этом реголит или материал астероида сначала растворяют, потом пропускают раствор через множество тонких капилляров, стенки которых покрыты 90 разновидностями смолы, селективно связывающими каждый из содержащихся в растворе элементов. При насыщении участка смолы этот участок покрытия собирается и уносится нанороболтами, из него выделяется элемент и участок возвращается на место. Примерно где-то так. Может что-то придётся изменить в этой схеме. Во всяком случае суть метода в разработке множества селективных реагентов, разделяющих раствор сразу и полностью, включая даже компоненты с низкой концентрацией, без сложных многостадийных разделений. Вот статья, где сделан ещё один маленький шажок в этом направлении:
https://elementy.ru/novosti_nauki/433436/Novyy_adsorbent_selektivno_izvlekaet_uran_iz_morskoy_vody
Разумеется, для выделения всех веществ из раствора, а не одного, нужно ещё много исследований. Поэтому сейчас человечество пока не готово создать такую технологию, но в будущем.... Кто знает, может и получится.

Наверное потому,что этот способ мало пригоден для Земли. Да и не нужен, залежей полезных ископаемых много,да и бесплатной энергии нет. С бактериями и грибами тоже сложно  .Нужна очень большая их масса и миллионы лет .С ионообменными смолами возможно и прокатит,но как мне кажется,они должны применяться на окончательных этапах.Скопом разделять даже несколько элементов весьма сложная задача.

[Dem]

Вода тоже очень нужна - на магнитной катапульте на Луну не приземлишься

Вполне приземлишься. Не сложней чем бустером в башню попасть.
Ну и как рабочее тело - да хоть кислород, его половина по массе в реголите.

Если бы этот варварский способ был хорош, мы бы и на Земле получали бы все полезные металлы из обычных гранита и базальта.

Метод хорош, просто из месторождений - лучше. Там уже вещества разделены.

Пока можно только приблизительно представить, как она будет выглядеть.

Испарили и отсортировали ионы по атомной массе, например.

[Polnoch Ксю]

Не сложней чем бустером в башню попасть.

Предлагаете так гасить несколько километров в секунду? На какой дистанции?

[Dem]

Предлагаете так гасить несколько километров в секунду? На какой дистанции?

Так смотря что за груз у нас, сколько он выдерживает.
Ну и кстати необязательно именно магнитное, можно просто облако пыли на траекторию выбросить.