Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Что имелось в виду на публикации по вашей ссылке - посмотрите на соотношение Atoms/106Si

В этой публикации Atoms/106Si для хрома записано (для С1 хондррита) 12,700 (т.е. 12700), для железа (для проверки корректности понимания) - 901,000 (т.е. тоже тысячи отделены запятой и эта запись очевидно значит 900100). Сравнивая эти записи приходим к выводу, что атомная доля хрома в С1 хондрите в  71 раз меньше, атомной доли хрома. Что как раз и согласуется с тем, что хрома там 0.24 массовых процента. В общем всё правильно.

[AlexAV]

И на другие работы.

А вот другой источник (https://www.jstage.jst.go.jp/article/shigenchishitsu1992/47/6/47_6_319/_pdf):

The Cr abundances of 2500-3200 ppm  in the Earth's  primitive mantle are similar to those in the primitive bulk Moon, 3140 ppm,  but lower than those in Cl caronaceous chondrite, 3810  ppm, and  H-group ordinary chondrite, 3660 ppm  (O'NEILL,  1991) .

Т.е. тут для углистых хондритов указана цифра 3810 ppm, т.е. довольно близкая к той, которая была в материале выше. Всё в общем сходится.

[AlexAV]

В открытом океане такое сооружение из камня и бетона физически невозможно построить.

Для создания гидроаккумулирующих систем сверхбольшой ёмкости всё же, кажется, проще использовать естественные  внутренние моря, внутриконтинентальные впадины, и озера с существенной разницей уровней. В части удельной стоимости будет куда эффективнее, чем строить огромные дамбы в океане.

В качестве примера пара Черное - Каспийское море. Между ними технически вполне возможно построить канал в уровень моря по Кумо-Манычской впадине. Перепад уровней 28 метров, при рабочем перепаде уровня Каспийского моря 3 метра ёмкость такой геоинженерной системы будет 80 ТВтч. Это чуть меньше потребления электроэнергии Россией за 1 месяц (88 ТВт ч). Аналогично, можно построить дамбу по Босфору и использовать для накопления энергии котловину Черного моря (перепад уровней тут будет меньше, но за счёт огромной площади ёмкость всё равно будет значительной) и т.д.

Ну или другой вариант - качать воду из Онежского озера в Белое озеро (перепад уровней 80 метров), а энергию снимать с ГЭС Волжского каскада, используя в качестве буферной ёмкости ёмкость всех волжских водохранилищ, вот такая единая гидроаккумулирующая система протяженностью три с половиной тысячи километров.

В части создания гидроаккумулирующих систем сверхбольшой ёмкости скорее нужно смотреть на естественные крупномасштабные структуры рельефа (моря, озера, речные системы), а не в сторону монструозных по масштабу земляных работ по созданию искусственных. Первый путь по затратам будет на много эффективнее.

[AlexAV]

Уже обсудили в теме. Поздно вы. А так проводка, генераторы, трансформаторы и тд

У АЭС нет ограничений на массу и объём оборудования. Кроме того, всё оборудование в основном высоковольтное, а генераторы высокооборотные, что делает его не таким чувствительным резистивным потерям. Это позволяет его делать полностью из алюминия (ну а РЗЭ магниты на генераторах АЭС вообще никогда не использовались, для высокооборотных генераторов с задачей возбуждения необходимого поля вполне справляются электромагниты с сердечниками из магнитомягкого железа).

[AlexAV]

Только в сверхбольших бассейнах невозможно создать разность уровней за вменяемое время.

В некоторых случаях разность уровней уже существует (скажем в приведенном примере пары Черное- Каспийское море, или, например, Ладожское-Онежское озеро). В других работу по создании минимального необходимого перепада уровней можно считать частью строительства комплекса. Ну а требовать, чтобы комплекс такого масштаба (способного балансировать энергосистему целого региона) строился за 30 - 40 дней - явно избыточно. Если первоначальное создание минимально необходимой для работы разности уровней займет даже десятилетия, то для проекта такого масштаба это не выглядит чем-то неприемлемым.

Системы не такого масштаба, поменьше, в локальных губах и заливах, естественно, тоже имеют право на существование. По сути та это та же самая концепция (отсекаем залив или губу относительно небольшой дамбой и закачиваем туда воду из моря для создания разности уровней).

[AlexAV]

Проблема маневров ГЭС не в оборудовании, проблема в людях которые живут ниже по течению - особенно если они берут из реки воду, или в нее выходит сливная канализация.

Эта проблема решается запретом на строительство в потенциально затапливаемой пойме реки. Заодно и проблема наводнений полностью решится. Жить в затапливаемой пойме имело смысл в 19-м веке (и ранее), когда электрических насосов и механического транспорта не было. И организовать доставку воды (и грузов от речного порта до потребителя) было сложно. Сейчас передача воды и транспорт грузов на 1 - 2 км - это вообще не проблема, соответственно, и большой необходимости сидеть в пойме, которую в любой момент может затопить - нет. То что там до сих пор сядет - по сути реликт прошлого технологического уклада.

[AlexAV]

в тропиках дохрена летеритов и в в принципе управляемой ирригацией запросто можно интенсифицировать процессы латеритизации

Никелем богаты в основном латериты, образовавшиеся при выветривании ультраосновных пород. А ультраосновные породы сами по себе на планете встречаются не часто и не все места их залегания находятся в тропическом регионе. Т.е. латеритизацию извлекаемой ультраосновной породы можно будет использовать только на небольшой части месторождений ультраосновных пород. Ну и такое глубое выветривание, когда из породы вымывается даже большая часть кремния, всё же, на сколько я понимаю, требует довольно значительного времени.

[AlexAV]

Никель с кобальтом и т.д. в астероидах находятся не перидотитах, а в металлической фазе. Достаточно расплавить астероидную массу и гравитация или центрифуга разделит силикаты и метал. Проблема что в металлической фазе будет преобладать железо.
Есть разные решения.

Тут не всё так просто. Первый момент - материал с астероида на Землю надо как-то доставить. Гравитация самого астероида - незначительна, но вот требуемый ХС для перевода тела на орбиту, пересекающую Землю, обычно весьма значителен, масштаба нескольких км/с (кроме нескольких мелких околоземных астероидов). Соответственно, возникает вопрос - а как обеспечить эту доставку. Делать это за счёт топлива, доставляемого с Земли, вообще не вариант. Если на каждый килограмм железо-никелевого сплава нужно будет доставлять несколько килограмм топлива с Земли на астероид, то экономика такой добычи получится абсолютно абсурдной. Соответственно, без вариантов тут нужен ISRU, т.е. топливо для доставки железо-никелевого сплава нужно добывать на самом астероиде. Однако, сколько-нибудь заметное количество летучих веществ содержат только углистые хондриты. Металлические астероиды (да и большинство каменных, кроме углистых хондритов) для добычи - абсолютно непригодны, там попросту не будет источника сырья для производства топлива, нужного для доставки сплава на Землю.   

Далее. В углистых хондритах (единственный тип астероидного материала, где достаточно летучих веществ для ISRU) - металлического железа и никеля практически нет. Там они содержатся почти полностью в форме серпентина, магнетита и пентландита. Чтобы там появился чистый металл - этот материал нужно переплавить, тогда содержащийся там свободный углерод (0.6% - 3%) восстановит часть железа в металлическую форму (ну и заодно и почти полностью никель). А это весьма энергоёмкая процедура (с учётом, что никеля в углистых хондритах около 1%, то для извлечения 1 тонны никеля нужно переплавить 100 тонн хондрита). И тут проблема, что космическая энергетика чрезвычайно дорогая. Не очень понятно, как стоимость энергии на астероиде уложить в пределы, в которых такое извлечение никеля будет иметь экономический смысл.

Соответственно возникают вопросы. Есть ли вблизи Земли астероиды с содержанием летучих компонент достаточным для организации ISRU (в области Земной орбиты это само по себе не такое уж частое явление) и разумной баллистической доступностью? Производство никель-железного сплава из материала такого астероида очевидным образом будет чрезвычайно энергоемким. Как организовать получение энергии на астероиде с себестоимостью сколько-нибудь соизмеримой с себестоимостью энергии на поверхности Земли (все стандартные подходы современной космической техники тут заведомо не годятся, слишком дорого)?

Даже на два этих базовых вопроса космической добычи никеля пока четких ответов нет. 

[AlexAV]

Никель с кобальтом и т.д. в астероидах находятся не перидотитах, а в металлической фазе.

Ещё одна проблема к двум обозначенным - очень редкое баллистическое окно для околоземных астероидов. Дело в том, что, да, ХС, перелета от Земли к околоземному астероиду (и обратно) может быть небольшим при движении по окологомоновской траектории. Но тут есть один момент - только при оптимальном взаимном расположении Земли и астероида на орбитах. Частота событий такого оптимального расположения около \( (1/T_e - 1/T_a)^{-1} \), где  \( T_e \) - период обращения Земли по орбите, \( T_a \) - астероида. Если, скажем, большая полуось орбиты астероида a = 1.1 а.е., то период между баллистическими окнами будет 7.5 лет. Во все остальные периоды, кроме этого баллистического окна, энергозатраты на перелёт будут очень большими.

Как эффективно вести добычу, когда доставка чего-либо на астероид (как и доставка готовой продукции с астероида на Землю), возможна лишь в течении короткого периода раз в десятилетие - тоже не очень понятно. 

[AlexAV]

Решение: электромагнитные ускорители массы. Пушки Гаусса или рельсотроны. Стрелять железной дробью, железо у нас и так есть, у нас хром и никель в дефиците.

Тут есть очень серьёзная техническая проблема. Оба типа электромагнитных ускорителей имеют сложно решаемые технологические сложности, которые пока не  позволяют их использовать для ускорения значительных масс до скоростей порядка нескольких км/с.

Для рельсотрона попросту не существует материала, способного сколько-нибудь эффективно противостоять дуговой эрозии при выстреле. Хоть какую-то стойкость имеет медь с серебряным покрытием, но даже такие направляющие выдерживают в лучшем случае десятки, сотни выстрелов, после чего приходят в негодность. Понятно, что такая стойкость направляющих делает рельсотрон практически непригодным для доставки промышленных колличеств металла с астероида. Ну и кроме того медно-серебряные направляющие требуют очевидным образом серебра, которого и на астероидах практически нет.

Пушка Гаусса, хотя и не имеет проблем с эрозией направляющих, однако, для неё характерна другая сложность - неприемлемо низкий темп ускорения. Удельный магнитный момент насыщение железа при комнатной температуре  218 А м2/кг. Это значит, что при ускорении полем 5 Тл (довольно большое поле) пушка Гаусса будет сообщать железному снаряду около 1090 Дж/кг на ступень. Чтобы набрать с помощью пушки Гаусса скорость 3 км/с потребуется около 4128 таких ступеней. Так как каждый соленоид на 5 Тл тоже не совсем меленький, то конструкция в целом получится совершенно монструозной. Собственно из-за этого в современных проектах корабельных электромагнитных пушек речь практически всегда идет о рельсотронах, а не о пушках Гаусса (несмотря на нерешенную проблему эрозии направляющих в рельсотроне, которой вообще нет у пушки Гаусса). Попросту пушка Гаусса, ускоряющая снаряд до более-менее приличной скорости, получится неадекватно большой даже для эсминца.

[AlexAV]

Комментарий модератора раздела

Настоятельно прошу прекратить политический флуд в теме.

Kaiserfrogling +30. Попытка оправдать преступления нацистов это уже совсем за гранью минимального приличия и уж точно есть прямое нарушение пункта правил 3.1е.

[AlexAV]

Астероидов много

Если брать только те, которые доступны с относительно небольшим ХС (около 3 км/с и менее при старте с земной орбиты вне сферы действия поля тяжести Земли и приблизительно такое же значение ХС возвращения с астероида на Землю), а эту область грубо можно очертить значениями большой полуоси от 0.7 до 1.5 а.е. (т.е. астероиды расположенные между Венерой и Марсом) с наклонением орбиты менее 6 градусов, то не так уж и много получается. Среди астероидов для которых измерен диаметр этому условия соответствует только 39 объектов (использую каталог https://ssd.jpl.nasa.gov/tools/sbdb_query.html#!#results). Причём большая часть массы (а значит запасов никеля) среди них, видимо, сосредоточена на 13 объектах больше 500 метров. Причём из них ещё явно не все окажутся достаточно богаты летучими веществами для организации эффективной добычи, а значит общее число легко баллистический доступных объектов перспективных для организации добычи едва ли будет более пары десятков из которых только несколько штук будет относительно крупных.

Кстати, что касается размера. Тут ведь тоже будут экономические ограничения. На астероиде потребуется возводить очень сложную и дорогостоящую инфраструктур (большое количество горно-добывающего оборудования, печи-центрифуги, мощную электростанцию масштаба 100 МВт - 1ГВт, жилые модули с искусственной гравитацией и т.д.). И всё это должно как-то окупится. А это значит запасы сырья на разрабатываемом объекте должны быть достаточно велики, чтобы при существенной добычи (скажем масштаба 100 тыс. тонн никеля в год (в Норильске около 230 тыс. тонн в год), добыча должна быть достаточно велика, чтобы как-то компенсировать огромные затраты на создание добывающей инфраструктуры эффектом масштаба) её можно было вести достаточно долго, несколько десятилетий. А начальные запасы масштаба 5 млн. тонн никеля (при содержании в породе 1.2%, типичной для углистых хондритов) соответствуют довольно крупному телу, диаметром масштаба 0.9 км (судя по данным для (162173) Рюгу средняя плотность для не слишком крупных астероидов не очень высока около 1.2 т/м3). Кстати среди относительно легко доступных баллистически таких совсем мало. Критерию 0.72 < a < 1.52 и i<6 градусов удовлетворяют только шесть астероидов более 900 метров в диаметре: 66146 (1998 TU3) (диаметр 2.9 км), 363505 (2003 UC20) (диаметр 1.9 км), 194268 (2001 UY4) (диаметр 1.2 км), 175706 (1996 FG3) (диаметр 1.196 км), 68278 (2001 FC7) (диаметр 0.942 км), 65679 (1989 UQ) (диаметр 0.918 км). Из которых ещё надо выбрать только богатые летучими веществами (судя по альбедо, к таким, возможно, принадлежит четыре из шести перечисленых). Т.е. в действительности интересных тел может оказаться и совсем не много.

Пусть для каждого астероида интервалы между прибытием оборудования или отправками чушек металла будет весьма продолжительным, для Земли это будет непрерывный процесс.

Проблема не в периодичности отправки чушек на Землю. Проблема в обслуживании и ротации персонала комплекса.

Добывающий комплекс на астероиде ведь будет очень сложным ГОК с большим количеством горно-добывающего оборудования, мощной электростанцией, печами-центрифугами и большим количеством различного вспомогательного оборудования. Всё это должен кто-то обслуживать и ремонтировать, соответственно, потребуется большое количество персонала. Человек в невесомости живёт плохо, а значит для персонала потребуется станция с искусственной гравитацией, но станцию с искусственной гравитацией под грунт астероида уже особо не зароешь, а значит появляется проблема с дозовой нагрузкой на персонал (ведь находиться всё это будет вне магнитосферы Земли). Причём, вообще не понятно будет ли допустимо нахождение человека на станции вне магнитосферы земли в течении нескольких лет непрерывно просто по медицинским показаниям, а как ротировать персонал быстрее с таким редким баллистическим окном не очень ясно. Кроме того, комплексу постоянно нужны будут поставки запчастей, а в ситуации, когда срок между заказом и поставкой измеряется несколькими годами, а то и десятилетием, вообще не очень понятно, как обеспечивать стабильную работу комплекса.

Всё это на самом деле очень серьёзные технические проблемы с не очень ясным способом их решения.

[AlexAV]

pkl кажется подразумевал рельсу не в качестве доставщика грузов, а в качестве двигателя.

А какая разница? Для направляющих рельсотрона в двигателе и в любой другой области применения проблема износа будет совершенно одинаковой. Кстати, объём массы, который надо ускорить в реактивном двигателе при ХС~3 км/с и типичных скоростях, которые может давать рельсотрон, будет иметь один порядок с доставляемой полезной нагрузкой.

Соответственно нам не нужна такая уж огромная скорость. Скорее даже вредна.

Формулу Циолковского никто не отменял. При ХС~3 км/с и скорость отбрасываемой массы должна иметь масштаб тех же самых 3 км/с, чтобы отбрасываемая масса не получилась неприлично большой. А учитывая, что на месте нам доступен только одни ферромагнитный материал (собственно добываемый на астероиде сплав железа и никеля), то даже при скорости отбрасываемой массы 3 км/с (при ХС = 3 км/с) нам придётся выбрасывать более 60% добываемого никеля, что уже величина, мягко говоря, неприлично большая. А если скорость отбрасываемой массы ещё уменьшать - и совсем получится какой-то колхоз "Напрасный труд", когда большую часть добываемого никеля мы просто необратимо выбрасываем в виде реактивной струи. Причём даже ускоритель Гаусса до 3 км/с получается какой-то монструозной конструкцией, явно не годящейся на роль двигателя КА.

[AlexAV]

Подождите, а побочные металлы Вы куда собрались девать? Никеля там 20% от силы, остальное железо и проч.

Да не будет там никаких побочных металлов. От вещества астероида довольно просто отделить сплав железа и никеля (около 6% никеля), который без разделения и нужно будет доставлять на землю. Никаких иных металлов там не будет получаться вообще.

Железо и никель образуют непрерывный ряд твердых растворов и разделять их задача довольно нетривиальная. Простые физические способы тут не работают. Это в принципе можно делать через хлориды, карбонилы, водные растворы солей (скажем используя различие в произведении растворимости сульфидов или Fe(OH)3 и Ni(OH)2). Но всё это будет довольно сложным химическим производством, требующим огромного количества реактивов, которых на астероиде просто нет (ну может кроме использования карбонилов, да и то только на астероидах из углистых хондритах, хотя с учётом жестких условий синтеза карбонилов и низкой скорости этого процесса для многотоннажного разделения никеля и железа этот подход не очень годится). В общем разумных способов получения чистого никеля прямо на астероиде не очень видно, соответственно, видимо потребуется отправлять на землю весь сплав без разделения.

[AlexAV]

Вертикальная ветротурбина, о которой мечтается Алексу АВ:
http://www.youtube.com/watch?v=d0MqbSjiiks

Так понимаю, что аэродинамическая схема Дарье. Довольно неплохой вариант.

[AlexAV]

https://en.wikipedia.org/wiki/Vertical-axis_wind_turbine
Очень даже плохой - из-за одного из самых низких КПД (10%)
Даже ветряная электростатика с 5-7% КПД выглядит интереснее, из-за простоты и очень низкой стоимости установки и ее обслуживания

Это проблема в основном только классического ротора Савониуса. Теоретическая эффективность ротора Дарье в целом соизмерима с эффективностью горизонтальных схем (https://www.sibran.ru/upload/iblock/093/09360fb964f1ba7be295dc76f43d3efa.pdf ). Есть и другие достаточно высокоэффективные аэродинамические схемы вертикального типа, например ротор Угринского (c КПД до 46%, что хоть и меньше верхнего теоретического предела КПД ветрогенератора, т.е. 59,26%, но не радикально).

[AlexAV]

Или разделять обратимой парогазовой реакцией
Fe + H2O = FeO + H2

Тут термодинамику нужно аккуратно считать. Дело в том, что NiO и FeO образует непрерывный ряд твердых растворов. Активность NiO в твердом растворе в FeO будет много меньше единицы, а значит \( \Delta G \) реакции

Ni + H2O = NiO (раствор в FeO) + H2 будет на много ниже, чем \( \Delta G \) реакции
Ni + H2O = NiO (чистой) + H2, особенно при высоких температурах, когда влияние энтропийного члена на \Delta G оказывается более существенно.

С учётом, что разница \( \Delta H \) образования FeO и NiO не особо большая, то так с ходу не очевидно, что равновесная концентрация никеля над чистым никелем в фазе FeO будет достаточно низкой, чтобы такой метод отделения никеля был эффективным.

Ну и этот метод обогащения материала никелем в любом случае требует значительного количества воды, а значит пригоден только для добычи на астероидах из углистых хондритов (другие типы астероидного вещества воды практически полностью обычно лишены).

[AlexAV]

Проблема лишь в цифрах - необходимы ветра не менее 120-130 метров в секунду, какие к счастью есть лишь в Антарктиде

Аэродинамическая эффективность ветрогенератора от скорости ветра вообще не зависит (по крайней мере пока мы пренебрегаем трением в подшипниках).

Эта же аэродинамическая теория говорит что все верно - ротор Дарье может иметь КПД сравнимый с современными вертикальными ветряками (40%).

Реально достижимая аэродинамическая эффективность ротора Дарье практически такая же, как у трёхлопастной горизонтальной схемы.


(отсюда https://cyberleninka.ru/article/n/kriterii-vybora-tipa-vetroustanovok-dlya-mobilnyh-vetro-solnechnyh-elektrostantsiy)

Низкая аэродинамическая эффективность - это исключительно свойство классического ротора Савониуса. У более совершенных горизонтальных схем она вполне приемлемая и вполне созмерима с горизонтальной схемой.

[AlexAV]

Разница dH образования оксидов железа и никеля 28кДж/моль, более чем достаточно.
Ni3Fe также весьма термодинамически более устойчив чем простой никель.

Посмотрел. Да, действительно, до содержания в сплаве 80% никеля никель при окислении железо-никелевого сплава водой в фазу оксида практически не переходит (здесь, скажем этот факт упоминается, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/000161605390128X ). Т.е. таким методом, действительно можно обогатить никель-железный сплав по крайней мере до 80% по никелю.

[AlexAV]

Или разделять обратимой парогазовой реакцией
Fe + H2O = FeO + H2

Все таки ерунда какая-то получается. Мы тут забыли ещё об одном компоненте вещества астероидов - сере. И её там много (в углистых хондритах 2%-6%), причём это практически исключительно сульфидная сера. И при плавлении эта сера будет преимущественно переходить в  фазу металла (у железа к сере сродство достаточно высокое). Соответсвенно, у нас будет получаться на выходе сплав Fe-Ni-S, причем мольная доля серы в нем будет на много больше, чем никеля.

При обработке паром такого сплава с участием никеля, скажем, будет идти такой процесс

FeS + H2O + 3/2Ni = 1/2Ni3S2 + FeO + H2

dH этой реакции  -29.5 кДж/моль (данные для Ni3S2 отсюда https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C12035722&Units=SI&Mask=2#Thermo-Condensed, остальное из https://chemister.ru/Database/search.php),
что несколько больше dH реакции
Fe + H2O = FeO + H2 (dH = -23 Дж/моль)

Соответственно, скорее всего (тут нужно посчитать аккуратнее, но тем не менее на это похоже), что в условиях, когда водяной пар окисляет железо, при наличии достаточного количества серы в сплаве, будет выделяться не металлический никель, а сульфид никеля Ni3S2, т.е. хизлевудит. Как его потом отделять от порошка FeO - не очень понятно. В принципе, вероятно, можно флотацией, но для условий астероида это не очень подходит (нужны флотореагенты, а где их там брать не очень понятно, не с Земли же везти).