Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

В конструкции Т-4 активно использовалась сталь.

Там точно не обычная конструкционная сталь вроде Ст3, а какая-то сложнолегированная.

Вот что с двигателями делать... интересно, можно ли, чисто теоретически, сделать двигатель из какой-то керамики?

Теоретически можно (оксидные керамики химически абсолютно устойчивы к воздействию воздуха и продуктов сгорания при высоких температурах, и жаростойкость керамик на основе корунда или магний-алюминиевой шпинели вполне может конкурировать с суперсплавами). На практике удачного опыта нет. Главная проблема - склонность оксидных керамик к хрупкому разрушению.

[AlexAV]

А если использовать титановый сплав

Практически ни один титановый сплав не может работать в окислительной среде выше 700 градусов. Для горячей части газовой турбины это категорически мало.

криогенное охлаждение — жидкий метан( водород)

Эффективное охлаждение многих элементов горячей части турбины затруднено или невозможно.

[AlexAV]

Нет, одним кальцием тут не обойдешься, без бария оксидный катод не работает.

Если не обойтись без бария, никеля

Посмотрел, что пишут в литературе. Барий все же можно заменить стронцием. В Зильберман М.М.  Термоэлектронные оксидно-никелевые катоды упомянается возможность использования состава 40% SrO - 60% CaO. У стронция по крайней мере есть более-менее очевидный биогенный источник. Из целестина (сульфата стронция) состоят скелеты акантарий ( https://en.wikipedia.org/wiki/Acantharea ).

Работает при более высокой температуре, чем барийсодержащие составы, но работает (приблизительно такие же эмиссионные характеристики как бариевый катод при 1180 К, стронциевый дает при 1300К). Но температура работы стронциевого оксидного катода все ещё значительно ниже температуры плавления никеля (и железа). В качестве материала керна и губки оксидных катодов сейчас применяют практически исключительно никель, однако каких то очевидных противопоказаний мешающих тут заменить никель на железо высокой чистоты не видно (железо инертно к рассматриваемым оксидам и и скорость его испарения при рассматриваемой температуре даже ниже, чем у никеля, единственно механическая прочность железа в рассматриваемых условиях значительно меньше, чем у никеля). Тут правда могут быть какие-то технологические сложности с созданием железной губки достаточной чистоты, в отличии от никеля железо (особенно губка с развитой поверхностью) легко окисляется.

Впрочем даже в этом случае избавиться от никеля полностью не получится, так как без него надежный герметичный спай стекла и металла все равно не сделать (ну или возиться со ртутью и делать ртутные жидкие уплотнители, тогда можно без и никеля в данном узле).

[AlexAV]

Главное, чтобы были равные коэффициенты расширения стекла и металла.

А для ответственных мест - ещё чтобы и производная коэффициента расширения по температуре совпадала. Титан с 23-им стеклом имеет близкие коэффициенты расширения, но не идеально. У 23 стекла 9.3 10^-6 К^-1, а у титана при 20 градусов 8.2 10^-6 К^-1. Ну и температурная температурного зависимость коэффициента расширения у 23 стекла и титана различается. Титан пропаять через стекло можно, а вот гарантировать герметичность такого спая при больших перепадах температур - нет.

Сплав железо-никель (и тем более железо-никель-кобальт) тут уникален тем, что меня соотношение железа и никеля в сплаве можно очень-очень точно подогнать коэффициент теплового расширения стекла и сплава, а подбирая марку стекла - и производные коэффициента теплового расширения по температуре.



Для ответственных узлов, где герметичность очень критична (особенно работающих с большим перепадом температур) альтернатив сплавам железо-никель по сути нет (не считая сплавов платиновых металлов, где тоже можно довольно гибко управлять коэффициентом теплового расширения сплава для того чтобы его можно было очень точно подогнать под коэффициент теплового расширения заданного стекла).

[AlexAV]

Нитрогеназы как-то приспособить?

Тогда уж  аммиакмонооксигеназу. Вообще что-то подобное я и имел ввиду. Т.е. использовать бактерий нитрификаторов и нитрит-окисляющих. Так биологически можно аммиак почти количественно окислить до нитрата без потребности в каких-то труднодоступных катализаторах. Проблема тут в том, что растут эти бактерии в нейтральной и слабощелочной среде и на выходе будет получаться не азотная кислота, а нитрат чего-то там (кальция, натрия или аммония в зависимости от того чем мы будем поддерживать постоянное значение pH - известняком, содой или избыточным количеством аммиака).

Если нам нужен не этот нитрат, а собственно азотная кислота, то нитрат нужно будет как-то в неё превращать. Скажем путем перегонки с серной кислотой, но такая азотная кислота заведомо получится достаточно дорогой.

[AlexAV]

В вакуумной камере - или в аргоне вполне можно вакуумноплотно впаять в стекло любой тугоплавкий металл - цирконий, или тантал, даже обычное железо.

Впрочем если линейный коэффициенты расширения металла и стекла будут хорошо подогнаны друг под друга, то в любом случае должно удовлетворительно работать. В конце концов диапазон нормальных колебаний температуры колбы электровакуумного прибора не такой большой, чтобы различного рода нелинейности тут играли критическую роль. В конце-концов если колба радиолампы греется больше 150 градусов - значит скорее всего надо как-то по-другому делать её охлаждения, а в интервале температур 0 - 150 и стекло и металл в плане теплового расширения обычно ведут себя более-менее линейно.

В этом случае под титан вполне можно подобрать стекло с коэффициентом теплового расширения ровно в среднем по заданному интервалу  температур коэффициенту теплового расширения титана. Что-нибудь состава Na2O-CaO-MgO-SiO2.

Под чистое железо подобрать тяжелее, но можно, что-то состава K2O-CaO-SiO2 с повышенным содержанием калия (если верить формуле Аппен что-то вроде (содержание в мольных процентах) 17% K2O, 12.5% CaO, 70.5% SiO2).

В общем получает, что какая-то вероятность собрать работающую радиолампу при наличии железа, натрия, магния, кальция, натрия, калия (того что точно доступно)  + стронция и, возможно, титана (того что менее доступно, но какие-то источники просматриваются) похоже все же имеется.

[AlexAV]

Да всё уже давно подобрано - стекло С72-4,

С72-4 - барий, бор и литий содержащее (состав 4.5% B2O3, 1.5% Al2O3, 7% CaO, 12% BaO, 2% Na2O, 5%K2O, 4% MnO, 1% Li2O, остальное SiO2). Аналогично С68-1 (содержит бор и литий). А К8 - вообще по составу дичь какая-то, где кроме бария и бора ещё и мышьяк содержится (http://www.tegs.ru/wp-content/uploads/2018/07/K-8.pdf). Не пойдёт.

По условиям задачи в стекле не должно быть ничего, кроме натрия, калия, кальция, магния, алюминия и кремния. Однако, согласен, что и используя обозначенный список компонент изготовить стекло согласованное по линейному коэффициенту теплового расширения с титаном в принципе можно.

[AlexAV]

Бора и лития много в морской воде, выпарить ее в той же Сахаре - почти бесплатно.

И то и другое содержится там в очень низких концентрациях (особенно литий) и технически трудноизвлекаемые.

а вот с обратным процессом большие проблемы.

Обратно и не надо. Основные потребители связанного азота - удобрения (а там всё равно нитратная или аммиачная форма, растения усваивают и то и другое) и производство азотной кислоты. Азот в форме именно аммиака нужен только в органическом синтезе, но по сравнению с первыми двумя пунктами потребление там сравнительно небольшое.

перевести аммиак в окислы азота несложно

Без селективного катализатора реакция NH3 + O2 сильно предпочитает течь по ветке 2NH3 + 1.5O2 = N2 + 3H2O, а не 2NH3 + 3.5O2 = 2NO + 3H2O. А хороший катализатор, пригодный для промышленного использования, сейчас - это только платино-родиевый. 

[AlexAV]

При фракционным выпаривании

Основной продукт этого процесса - соль (хлорид натрия) и экономически оправданный масштаб такой деятельности лимитируется спросом на соль. Заниматься таким выпариванием в том случае, когда соль окажется не полезным продуктом, который можно продать, а вредным отходом, который надо утилизировать, будет абсурдно. Соотношение получаемого таким образом лития к NaCl будет 1:200000 (т.е. 1 кг лития на 200 тонн соли), бора - 1:7800 (1 кг бора на 7.8 тонн соли). Мировое потребление соли - около 280 млн. тонн, если вся она будет удовлетворяться из морской воды, то из этого источника будут доступны около   1400 тонн лития и 36 тыс. тонн бора. Для сравнения золота сейчас добывается 3200 тонн, серебра - 26 тыс. тонн.

Боюсь при таком объёме добычи литий с бором до гражданской техники вообще доходить не будет, а полностью оседать в военном производстве.

[AlexAV]

Комментарий модератора раздела

Настоятельно рекомендую воздерживаться здесь от ухода в чисто политические темы. Вопроса гражданской войны на Украине - в том числе. И прежде всего это касается Lieut.

[AlexAV]

Комментарий модератора раздела

Предупреждение о том, что тему Украины, по крайней мере в той её части которая не касается энергетики, тут развивать не стоит, кажется уже было. Lieut +50% по пункту правил 3.1е.

[AlexAV]

резина по-вашему где РАСТЕТ?

Ну часть резины действительно растёт. Натуральный каучук, получаемый из сока гевеи, до сих пор достаточно широко производится и используется.

Кроме того, один из классических методов производства бутадиена (сырья для производства бутадиеновых каучуков и резины на их основе) - реакция Лебедева:


в которой бутадиен получается из этилового спирта, ну а этиловый спирт без особых технических сложностей можно получить из самого разнообразного растительного сырья. Сейчас на практике метод Лебедева для синтеза бутадиена используется редко, но никаких технических препятствий для его использования в промышленности нет (в СССР в 30-х - 60-х, до открытия нефти Западной Сибири, активно использовался, за что сам Лебедев был награжден орденом Ленина).

Так что резина действительно может в определенном смысле "расти". Правда получение резин из растительного сырья или ограниченно масштабируемое (как в случае натурального каучука, мест пригодных  для выращивания гевеи не так уж и много), либо существенно дороже (как в случае получения бутадиена из пищевого спирта полученного сбраживанием растительного сырья), чем из нефти.

[AlexAV]

Да хоть одуванчики.

В СССР до начала 50-х выращивался в промышленных масштабах для получения каучука одуванчик Taraxacum kok-saghyz, Taraxacum hybernum, а также козелец Scorzonera tau-saghyz. Нужно отметить, что даже выход каучука с гектара был вполне приемлемым (что-то около 200 кг/га), но в начале 50-х в экономическом плане такой метод полностью проиграл производству каучука из изопрена, получаемого из нефтяного сырья, и выращивание одуванчиков для производства каучука было полностью свернуто.

[AlexAV]

Причём, обратите внимание, как выше привёл ссылку BlackMokona, оказывается уже почти треть генерирующих мощностей Китая переведены на ВИЭ. При этом территория Китая вовсе не застроена сплошь солнечными электростанциями и ветряками.

Подавляющая часть этих ВИЭ в Китае - это ГЭС. ГЭС - это конечно с формальной точки зрения тоже ВИЭ, но по ряду причин их нужно рассматривать отдельно (ГЭС - это довольно высококонцентрированный источник энергии). ВИЭ, которые не ГЭС, дают в Китае 3.1 ЭДж энергии (863 ТВтч). Общее потребление энергии всех видов в Китае - 146 ЭДж (в 2020 году). Т.е. ВИЭ за вычетом ГЭС дали только 2% общего энергопотребления, но никак не 1/3. Подавляющая часть китайской экономике работает именно на ископаемом топливе (преимущественно на угле).

P.S. Цифры из справочника BP за 2021 год.

[AlexAV]

Но полностью перейти на ВИЭ очень заманчиво тем, что энергетическая проблема в этом случае решается окончательно. До тех пор, пока Солнце греет.

Только в том случае, если работа самих ВИЭ возможно без использования редких элементов. В противном случае какая разница закончится ли уголь для ТЭС или серебро для солнечных батарей? В этом смысле из списка тех ВИЭ, которые можно использовать условно вечно, нужно сразу же исключить солнечные батареи (без редких элементов не работают вообще никак). Остаётся по сути некоторые конструкции ВЭС и ГЭС, может ещё ПЭС (но не факт, морская среда очень корозионная и  возможно ли построить хоть к чему то пригодную ПЭС без нержавейки (а она невозможна без никеля и хрома, которые тоже являются исчерпаемыми ресурсами) - не очень очевидно).

Ну, а ВЭС и ГЭС в сумме даже теоретически недостаточно для генерации энергии в объёмах соизмеримых с современным потреблением. Технический потенциал ветроэнергетики всего около 1 ТВт средней генерации (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0301421511004836), технический потенциал ГЭС ещё ниже.

[AlexAV]

Понятно. Но ведь из сказанного вами никак не следует, что китайские мощности ВИЭ (отличные от ГЭС) нельзя и дальше наращивать. Не так ли?

Можно, но не до бесконечности. Возможность производства солнечных батарей ограничено доступностью серебра (кадмия, теллура и т.д. в зависимости от типа, но солнечных батарей пригодных для массового производства и не требующих чего-то редкого нет совсем). Причём серебро - исчерпаемый ресурс.

Возможность наращивания ветроэнергетики ограничена ограниченным количеством мест, где установка ветряка имеет экономический смысл. Причем общий технический потенциал ветроэнергетики не хватает для удовлетворения нужд современной цивилизации.

[AlexAV]

А какая там экономика, интересно? Сколько нужно на 1 панель?

Производство солнечных батарей номинальной мощностью 1ГВт требует около 20 тонн серебра и 4000 тонн меди. При этом нужно учитывать, что 1 ГВт солнечных батарей никогда 1 ГВт реальной среднесуточной мощности никогда не даст. Средний КИУМ солнечных батарей в Китае, скажем, 12%. Т.е. 1 ГВт солнечных батарей дает только 120 МВт реальной мощности. С учётом этого нужно ~167 тонн серебра и 33 тыс. тонн меди на 1 ГВт средней мощности.

[AlexAV]

Они ведь из изделия никуда не деваются и их можно рециклить.

При рециклинге всегда есть потери. И обычно довольно значительные. Больше 60 - 80% за цикл регенерировать (с учётом всех потерь) обычно не получается. Из-за неизбежных потерь рециклинг никак не отменяет того, что после исчерпания месторождений соответствующие элементы будут полностью вымываться из обращения (если, конечно, не окажутся удобным попутным компонентом к железу или алюминию, правда и в этом случае их доступные количества будут очень малы).

Без использования редких элементов можно делать солнечные концентраторы.

СЭС концентрационного типа работаю только при полностью ясном небе. Малейшая облачность делает их полностью неработоспособными. В силу этого в большинстве регионов, где живут люди (а они живут обычно там где хорошо растут сельскохозяйственные растения, а значит регулярно идут дожди), такой тип СЭС практически неприменим. Много ли такая СЭС даст энергии, скажем, в Подмосковье в ноябре-декабре, когда бывают периоды более месяца вообще без ясных дней?

Опять же, в силу полной неработоспособности такого типа СЭС в облачную погоду, которая может сохраняться неделями, а то и месяцами, не только в высоких широтах, но и во многих регионах тропических широт, такой источник генерации оказывается практически несовместим с промышленностью непрерывного цикла (способов эффективно запасать энергию на несколько недель и месяцев сейчас не существует). А значит и с индустриальной цивилизацией современного типа вообще.

Ну а так, да, согласен, термическую СЭС в принципе можно построить без редких элементов. Вот только изделие это очень нишевое и пригодное для ограниченного числа климатических зон (причём обычно таких, в которых люди практически не живут). Ну и, кроме того, плохо совместимое с современной промышленностью (т.к. облачность сводящая генерацию такой станции на ноль может держаться очень долго).

[AlexAV]

почему?

Зеркала рассеянный свет не концентрируют, соответственно всю ту часть света, которая не является прямыми солнечными лучами, данный тип установок использовать не может. В результате даже тонкие облака, закрывающие солнце, снижают производство энергии такой системы практически до нуля.

[AlexAV]

Александр, ну и где я тут ошибаюсь? Вы можете показать? Элементарные же рассуждения. Что не так то?

Ну, одна из Ваших ошибок очевидна. Вы полагаете условия идеально стабильными, а это не так.

Рассмотрим простой пример. Пусть есть местность, где средний на большом промежутке времени САМ пшеницы 1.5. Казалось бы как-то жить можно. Но вот проблема. Этот САМ нестабилен и сильно флуктуирует. Одно десятилетие он может быть 0.8, а другое 2. Будет ли возможно сельское хозяйство в такой местности? Очевидно нет. Так как наступление очередного плохого периода крестьянин просто не переживёт и, соответственно, ему будет абсолютно всё равно, что средний САМ за несколько столетий тут больше 1.

С EROEI - тоже самое. Истинный EROEI (включающий неотделимые социальные издержки) - это не константа даже для строго заданной технологии производства энергии. Он зависит от социально-экономического состояния общества. Скажем пошли общественные беспорядки, выросли затраты на ремонт инфраструктуры из-за воровства оборудования и увеличения затрат на охрану -  EROEI упал. Началась эпидемия, появились дополнительные затраты на противоэпидемические мероприятия  -  EROEI упал. И т.д. Соответственно чтобы общество не развалилось нужно не просто чтобы истинный  EROEI был в среднем выше 1. Нужно ещё чтобы при он был достаточно выше единицы, чтобы при социальных кризисах (которые неизбежно будут) его запас был достаточно большим, чтобы рост затрат ресурсов на преодоление кризиса не уводил даже кратковременно его в область ниже 1. Судя по всему при EROEI < 2-3 стабильное существование сложного общества (даже аграрного) на исторически большом промежутке времени становится невозможным, попросту ему будет не хватать запаса прочности на преодоление даже достаточно рядовых кризисов. 

При этом нужно учитывать ещё одну вещь. Чем сложнее общество - тем сильнее становится обратная связь в петле обратной связи социальная дезорганизация - рост издержек - рост социальной дезорганизации. Соответственно, чем сложнее общество - тем больший запас прочности по EROEI  ему нужен для противодействия флуктуациям, связанным с различными социальными кризисами, так как уязвимость общества при росте сложности к подобным кризисам увеличивается.

Общество со слишком низким EROEI, особенно очень сложное, будет иметь недостаток свободных ресурсов для преодоления даже незначительного кризиса. Попросту все ресурсы будут поглощаться задачами текущего воспроизводства и что-то высвободить для решения проблемы будет невозможно. Такое общество будет легко рушиться от самых незначительных проблем. Тут годится аналогия с самолётом, который не может лететь медленнее некоторой скорости, иначе потеряет устойчивость и свалится в штопор. Также и цивилизация при EROEI ниже некоторого предела теряет способность адекватно реагировать на вызовы и неизбежно рушится.

P.S. Статья Дж. Тайнтера приблизительно об этом же https://works.bepress.com/joseph_tainter/298/