Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[Lieut]

Это сейчас , пока еще не все руды исчерпаны. За считанные столетия большинство рудных ископаемых исчерпаем. Вещи , которых хватит на более длительное время - это латериты , те что образуются при выветривании ультраосновных пород ( там в основном никель , кобальт , при желании железо , насчет хрома не знаю) и залежи урана в бедных рудах - для бридеров. Хватит на сотку - другую тысячелетий. Если к тому моменту не будет биотехнологий , позволяющих концентрировать элементы из кларка - то всё . пиши пропало.

Как раз потом, когда станет туго со свежими месторождениями, разделение продукта станет особо актуальным.
А для электроположительных металлов, далее чем железо, электрорафинирование это делается весьма легко.

[crazy_terraformer]

Вы - гость из будущего?

Ну если конечно добывать этот никель в нехилых количествах - тогда все быть может. То , что в поясе астероидов никеля полно - это одно , а вот сделать так , чтобы поставки содержащейся в этом никеле платины соответствовали спросу - это другое. Это ж считай 1 тонна платины на 10 кт никеля . Вы же как раз интересуетесь перспективами колонизации Солнечной системы , вот и подсчитайте , может ли это быть или нет и сколько это стоить будет.

Да, откуда ж мне знать?
Сначала будет создана роботизированная промышленность на Луне, она станет производителем космических аппаратов, роботов и прочего оборудования для освоения пояса астероидов, а также ядерного и химического топлива.
 Роботизированная добыча наверняка будет идти без присутствия людей, энергия скорее всего будет солнечная(атомные реакторы в резерве), вместо солнечных батарей будут использоваться коллекторы-тонкоплёночные зеркала на каркасе в фокусе, которых будет расположена труба с теплоносителем или нагреваемый элемент термопары. Поставки в систему Земля-Луна будут идти долго с использованием электрических или гелиотермических двигателей, в качестве рабочего тела будет использоваться вода или кислород, поставляемые с ближайших астероидов, имеющих в своём составе достаточное количество воды или силикатов, другим источником кислорода будут возвращающиеся из системы Земля-Луна грузовые транспорты, заправленные лунным кислородом.

[MenFrame]

Платина вроде палладием заменяется в топливных элементах, а палладий у нас естественный отход атомной энергетики...

[viesis]

Платина вроде палладием заменяется в топливных элементах, а палладий у нас естественный отход атомной энергетики...

Так он же радиоактивный наверно...

[Fall63]

Платина вроде палладием заменяется в топливных элементах, а палладий у нас естественный отход атомной энергетики...

Так он же радиоактивный наверно...

Палладий-107? У него период полураспада 6,5 млн лет и энергия 33 кэв -не намного выше чем у трития. Так что в топливные элементы пойдёт.

[mbrane]

. Вещи , которых хватит на более длительное время - это латериты , те что образуются при выветривании ультраосновных пород ( там в основном никель , кобальт , при желании железо , насчет хрома не знаю)

латериты - это железо и люмений... да существуют латериты с большим содержанием никеля - но это исключение а никак не правило

[mbrane]

Платина вроде палладием заменяется в топливных элементах, а палладий у нас естественный отход атомной энергетики...

хрен редьки не  слаще... я тут как-то посчитал, что совпеменное энергопотребление (целиком земного шара) будет производить порядка 40 тыщ тонн осколков... ну 15 % (в лучшем случае) палладий  и того 6000 тонн палладия на весь мир в год... Полегчало?

[MenFrame]

и того 6000 тонн палладия на весь мир в год... Полегчало?

Хорошо бы знать сколько палладия содержится в одном киловатте топливного элемента.

[MenFrame]

Всемирная китайская паутина
http://peretok.ru/articles/trading/18244/

[AlexAV]

Хорошо бы знать сколько палладия содержится в одном киловатте топливного элемента.

Порядка 1-2 грамм на киловатт мощности.

[crazy_terraformer]

Токсичная солнечная энергетика.
http://peretok.ru/articles/trading/18187/

[MenFrame]

хрен редьки не  слаще... я тут как-то посчитал, что совпеменное энергопотребление (целиком земного шара) будет производить порядка 40 тыщ тонн осколков... ну 15 % (в лучшем случае) палладий  и того 6000 тонн палладия на весь мир в год... Полегчало?

Как то оптимистично. Когда я считал получилось почти на порядок меньше.

[MenFrame]

Топливные элементы для транспорта: прошлое, настоящее, будущее
http://www.youtube.com/watch?time_continue=1636&v=V4XPwSzYvhg#
Вкратце, мощность на уровне 0,5 кват/кг(уровень ДВС), ресурс около 50 000 часов непрерывной работы.
Кстати можно посчитать экономию... Если каждый грам платины/палладия на 1 кв/ч выработанной энергии будет экономить такой же киловатт час в сравнении со сжигание водорода в ДВС, то экономия при условии скажем уровня вторичного металла в 50% будет на уровне 100 000 кв/ч энергии на грам катализатора. И эта не дешевая энергия на шине электростанций, а дорогая в баках у конечного потребителя. Может тогда добыча будет оправдана и из экзотических источников?

[crazy_terraformer]

 кв/ч - опечатка?

[AlexAV]

Вкратце, мощность на уровне 0,5 кват/кг(уровень ДВС), ресурс около 50 000 часов непрерывной работы.

Только при использование водорода очень высокой чистоты, примеси в техническом, особенно сернистых соединений, выводят из строя систему довольно быстро.  Это само по себе серьёзное ограничение, такой водород очень дорогой. Ну и водород вообще для транспортного применения топливо страшно неудобное и опасное в обращение.

Существуют топливные элементы на органическом топливе, но они все высокотемпературные, как правило с ограниченным ресурсом циклов нагрева и охлаждения. Такие системы скорее подходят для стационарных систем, чем для транспорта. Из низкотемпературных в этой группе пожалуй только работающие на метаноле есть, но метанол токсичен, что является ограничением для широкого применения такого топлива.

Может тогда добыча будет оправдана и из экзотических источников?

А нет у них никаких достаточно обильных экзотических источников. Самый богатый источник того же палладия из относительно обильных (но совсем не бесконечных) - массивы ультраосновных пород с содержанием на уровне 0,12 грамм на тонну преимущественно в форме изоморфной примеси (т.е. физические методы обогащения неффективны). Во всех иных типах пород его содержание совсем смехотворное, в морской воде его тоже практически нет. Как главный продукт даже при содержание 0,12 грамм на тонну его добычу вообще ничего не окупит. Оттуда его возможно будут извлекать только как побочный продукт к никелю, который в свою очередь будет побочным продуктом к железу. Как во всех подобных случаях, в крайне ограниченных объёмах жестко привязанных к добыче основного компонента. Опять же тут всё сильно зависит от технологии. Скажем при гидрометаллургических методах переработки (т.е. путям выщелачивания кислотами) платиновые металлы от породы вообще отделяться не будут. 

на уровне 100 000 кв/ч энергии на грам катализатора

Проблема, что на самом деле вообще никакой экономии нет. Получение и очистка водорода очень дорогостоящие процессы, особенно это касается водорода высокой чистоты. Можете посмотреть цены: https://kriogen.ru/catalog/12/37/ , 8 тыс. руб за 5,7 м3. . Хоть биоэтанол, хоть растительное масло, да и вообще любое топливо получаемое из биомассы, обойдётся при использование ДВС дешевле (да, всё это дороже современного нефтяного топлива, но намного дешевле водорода, особенно имеющего качество обеспечивающее беспроблемную работу топливных элементов).

При этом, если у нас есть масса технического водорода, то куда разумнее (при наличие угля) с помощью процесса Бергиуса произвести бензин с дизельным дотпливом и использовать обычные автомобили с ДВС, чем использовать неудобный и опасный в обращение водород непосредственно. Понятно, что уголь тоже конечный ресурс, однако аналогичный процесс осуществим и с использованием древесины (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27025898) при этом с выходом до 28% от массы переработанной древесины можно получить фракцию состоящую из пентанов, гексанов и гомологов циклогексана, что соответствует бензину. Катализаторы там правда довольно интересные... Но в плане возможности регенерации лучше катализатор на большой заводской установке, чем в каждом автомобиле.

Как это ни удивительно, ДВС куда менее привязан к источникам невозобновляемых ресурсов, чем электромобили или автомобили с топливными элементами. Заменить нефтяное топливо на что-то ещё получаемое из возобновляемых источников проще, чем редкие элементы для последних двух.

[MenFrame]

Только при использование водорода очень высокой чистоты

А водород получаемый высокотемпературным электролизом, не будет изначально достаточно чистым?

А нет у них никаких достаточно обильных экзотических источников.

Я тут имел ввиду платину, палладий в астероидах.

[crazy_terraformer]

Может с топливными элементами помогут иммобилизованные ферменты гипертермофилов, которые способны окислять не только водород, но и органику и неорганику.

Гипертермофилы — организмы, растущие и размножающиеся при экстремально высоких температурах — свыше 60 °C. Оптимальная температура для существования гипертермофилов — более 80 °C. Гипертермофилы являются типом экстремофилов и включают в основном организмы, относящиеся к домену археи (лат. Archaea), хотя некоторые бактерии также могут выдерживать температуры, превышающие 100 °C. Многие гипертермофилы также могут противостоять другим экстремальным факторам, таким как высокая кислотность или радиация.

Гипертермофилы были открыты в 1969 Томасом Д. Броком (англ. Thomas D. Brock) в горячих источниках национального парка Йеллоустоун, Вайоминг, США. После этого было открыто ещё свыше 70 видов. Наиболее выраженные экстремофилы на сегодняшний день были обнаружены на перегретых стенках глубоководных гидротермальных источников, которым, чтобы выжить, необходима как минимум температура 90 °C. Необычный жароустойчивый гипертермофил, недавно открытый штамм 121[1], за 24 часа пребывания в автоклаве с температурой 121 °C (отсюда название) смог даже удвоить численность своей популяции. На данный момент рекордно высокую температуру 122 °C способен выдерживать вид Methanopyrus kandleri, при этом оставаясь способным к росту и размножению.
.....
Хотя ни один известный термофил не живёт при температуре выше 122 °C, их существование вполне возможно (штамм 121 держался при температуре 130 °C 2 часа, однако не размножался, пока не был перенесён в свежую питательную среду при относительно прохладной температуре 103 °C). Однако представляется невероятным, чтобы микробы выживали при температуре выше 150 °C, так как ДНК и другие жизненно важные молекулы разрушаются при этой отметке.
....
Белковые молекулы гипертермофилов проявляют гипертермостабильность. Благодаря этому они могут поддерживать структурную стабильность (а значит, и функции) при высоких температурах. Такие белки гомологичны их функциональным аналогам у организмов, живущих при более низких температурах, однако они приспособлены к исполнению своих функций на значительно более высоких температурах. Большинство низкотемпературных гомологов гипертермостабильных белков денатурирует при температуре выше 60 °C. Такие гипертермостабильные белки часто имеют промышленную важность, поскольку ускоряют химические реакции при высоких температурах[4].

Некоторые гипертермофилы.
Methanopyrus kandleri, штамм 116, архея из Аравийско-Индийского хребта, живёт и размножается при 80–122 °C.
Штамм 121, археи из Тихого океана, процветают при 121 °C
Pyrolobus fumarii, архея, живущая при 113 °C в гидротермальных источниках Атлантического океана
Pyrococcus furiosus, архея, живёт и размножается при 100 °C, впервые обнаружена в Италии около вулканического источника
Geothermobacterium ferrireducens, бактерия, процветает при 65–100 °C в Обсидианском пруду, национальный парк Йеллоустоун.
Aquifex aeolicus, бактерия, живёт при 85–95 °C, национальный парк Йеллоустоун

1. https://www.sciencedaily.com/releases/2003/08/030815075108.htm
2. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=1088632
3.  Zheng H, Wu H (December 2010). «Gene-centric association analysis for the correlation between the guanine-cytosine content levels and temperature range conditions of prokaryotic species». BMC Bioinformatics 11: S7. DOI:10.1186/1471-2105-11-S11-S7.  PMID 21172057.
4. "Analysis of Nanoarchaeum equitans genome and proteome composition: indications for hyperthermophilic and parasitic adaptation."

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoacidophile

Не знаю как автомобили, но вполне вероятно, что механический аналог лошади можно будет запитать энергией от этих топливных элементов, что позволит использовать их в больших городах вместо настоящих, т.к. в отличии от настоящих лошадей отходами их биотехнологического окисления не будут горы навоза, а только вода и углекислый газ, либо водный раствор сульфитов или сульфатов.

[crazy_terraformer]

А если землян одолеет такое отчаяние, что после исчерпания серебрянных россыпей и месторождений на Земле и Луне(возможно на планетах земной группы, др.спутниках(прежде всего Ио) и астероидах Солнечной системы), они перейдут к его синтезу на мегаускорителях протонов, альфа частиц и тяжёлых ионов облучая мишени с использованием солнечной энергии на Луне(Меркурии) или на орбите Земли?
Можно ли будет говорить о количествах эквивалентных сегодняшней добыче серебра? Или КПД процессов будет невелико и столько не наработать, даже если собирать всю энергию Солнца? Вероятно для уменьшения потерь на синхротронное излучение ускорители должны быть линейными или их радиус должен максимально большим(экваториальный радиус Луны или Меркурия).
Примеры реакций.
⁵⁷₂₆Fe+⁵⁰₂₂Ti->¹⁰⁷₄₈Cd
¹⁰⁷₄₈Cd->β+ распад 6,5 ч ->^107m₄₇Ag+e⁺+ν_e
^107m₄₇Ag->изомерный переход 44,3сек->¹⁰⁷₄₇Ag+gamma
Содержание изотопов в природных железе - ⁵⁷Fe (2,119 %) и природном титане - ⁴⁹Ti (5,51 %) маловато.

Решил поделить  шкуру неубитого медведя.
Итак посчитаем, сколько минимально энергии должно перейти в массу для образования килограмма ¹⁰⁷₄₇Ag из ⁵⁷₂₆Fe и ⁵⁰₂₂Ti.
 

(кликните для показа/скрытия)

M(⁵⁷₂₆Fe)=56,9353940
M(⁵⁰₂₂Ti)=49,9447912
M(⁵⁷₂₆Fe+⁵⁰₂₂Ti)=56,9353940+49,9447912=106,8801852

M(¹⁰⁷₄₈Cd)=106,906618
dM=M(¹⁰⁷₄₈Cd)-M(⁵⁷₂₆Fe+⁵⁰₂₂Ti)=0,0264328

M(¹⁰⁷₄₇Ag)=106,905097
M(¹⁰⁷₄₈Cd)/M(¹⁰⁷₄₇Ag)=X/1
M(¹⁰⁷₄₈Cd)/M(¹⁰⁷₄₇Ag)=X
- количество кадмия-107 в кг, из которого получится при распаде 1 кг серебра-107
M(¹⁰⁷₄₈Cd)/M(⁵⁷₂₆Fe+⁵⁰₂₂Ti)=X/m1
m1=X*M(⁵⁷₂₆Fe+⁵⁰₂₂Ti)/M(¹⁰⁷₄₈Cd)=(M(¹⁰⁷₄₈Cd)/M(¹⁰⁷₄₇Ag))*M(⁵⁷₂₆Fe+⁵⁰₂₂Ti)/M(¹⁰⁷₄₈Cd)=M(⁵⁷₂₆Fe+⁵⁰₂₂Ti)/M(¹⁰⁷₄₇Ag)

сумма масс изотопов железа-57 и титана-50 необходимых для синтеза 1 кг серебра-107
X=106,906618/106,905097=1,0000142275723298768439450553045 кг - количество кадмия-107, из которого получится при распаде 1 кг серебра-107
dX=X-1=1,42275723298768439450553045*10^-5 кг масса кадмия-107, которая перейдёт в энергию гамма-квантов и нейтрино, массу позитронов, кинетическую энергию и тепло, при образовании 1 кг серебра-107.
m1=106,8801852/106,905097=0,99976697275715488102498985618993 кг -сумма масс изотопов железа-57 и титана-50 необходимых для синтеза 1 кг серебра-107
X-m1=2,472548151749958189551991145893*10^-4 кг масса, образующаяся при преобразовании кинетической энергии на 1 кг серебра.

E_min(1)=m*c²=~(X-m1)*(3*10⁸)²=2,472548151749958189551991145893*10^-4*9*10¹⁶=2,472548151749958189551991145893*10¹²*9=2,2252933365749623705967920313037*10¹³=~2,2253*10¹³ Дж

~2,2253*10¹³ Дж минимальное количество энергии без учёта потерь и рекуперации(при распаде кадмия-107 и ядерного изомера серебра-107) необходимое для синтеза 1 кг серебра-107 из 0,99976697275715488102498985618993 кг суммы масс изотопов железа-57 и титана-50.
Энергия, выделенная при атомной бомбардировке Хиросимы: около 6·10¹³ Дж.
Среднее значения облучённости на поверхности орбите Земли в 1,366 кВт/м² . При 10% КПД преобразования этой энергии в массу, площадь сбора для синтеза 1 кг/с серебра-107 из железа-57 и титана-50 составит ~1,62906*10¹¹ м2

(кликните для показа/скрытия)

(1,366*10³*0,1) - 1 м²
                                2,2253*10¹³ - Y м²
Y=~1,62906*10¹¹ м2

Площадь Луны =3,793·10¹³ м²
Половина площади Луны=1,8965·10¹³ м², это эквивалентно плоской проекции площадью 9,4825·10¹² м². Таким образом для синтеза 1 кг/секунду серебра-107 из чистых изотопов железа-57 и титана-50, надо собирать энергию с ~0,0172 части дневной поверхности Луны. Плюс надо бы добавить энергии(соответственно площади сбора) для выделения железа и титана из реголита и для разделения изотопов.
Если под коллекторы энергии будут заняты площади, не попадающие в земную тень, то синтез будет идти круглый год и кол-во серебра в год может достигнуть ~ 365.25*60*60*24=31557600 кг=31 тысяч 557,6 т в идеальном случае...
P.S. Привет мышам от стратега филина.

[AlexAV]

А водород получаемый высокотемпературным электролизом, не будет изначально достаточно чистым?

Водород получаемый электролизом достаточно чистый. Но тут также есть ряд проблем. Первая - он всё равно получается не очень дешёвым. Себестоимость водорода получаемого высокотемпературным электролизом оценивается как величина около 5$/кг (в ценах 2007 года) (это себестоимость на выходе из электролизера без дальнейшей очистки и доставки до потребителя, впрочем тут эта очистка действительно не так нужна для использования в топливных элементах в силу того, что вредных примесей такой водород содержит мало, а попадание какого-нибудь азота в небольших количествах здесь не страшно).

Второе - масштабируемость. Твёрдым электролитом высокотемпературного электролизера почти безальтернативно является оксид циркония допированный иттрием. Катод - никель с добавлением (около 10%) циркония, анод - смесь кобальтатов лантана и празеодим. Причём всё перечисленное - не тонкие покрытия, а довольно массивные конструкции, т.е. речь тут идёт о потребление не граммов, а килограммов на кВт. Естественно и цирконий, и никель, и лантан, и особенно кобальт с празеодим - сырьё достаточно дефицитное, а в перспективе очень дефицитное. При масштабирование до объёмов производства измеряемых десятками миллионов тонн в год - это станет проблемой, а по мере исчерпания месторождений этих элементов - проблемой очень большой.

Получение же водорода низкотемператорным щелочным электролизом воды со стальными электродами (единственный способ получения его из воды электролизом для которого не требуются редких элементов) - процесс энергетически не очень эффективный, требующий большого количества металлоёмких, малопроизводительных и не очень надёжных аппаратов (железные аноды быстро корродируют). Заниматься этим когда-нибудь всё равно придётся, водород скажем очень важен для химической промышленности, но на особую дешевизну и энергетическую эффективность тут точно рассчитывать не приходится.

Опять же при любом способе получения водорода проблема с крайней его не удобностью и не безопасностью в хранение никуда не исчезает. Для транспорта куда больше подходит какое-то жидкое топливо или легко сжиживаемый газ.

[AlexAV]

Может с топливными элементами помогут иммобилизованные ферменты гипертермофилов, которые способны окислять не только водород, но и органику и неорганику.

Иммобилизованные ферменты едва ли смогут обеспечить приемлемую долговечность, фермент вещь не очень стабильная. В клетке такие молекулы живут не очень долго и постоянно синтезируются ей, в мембране без живых бактерий это будет делать некому. А вот биотопливные элементы с живой культурой бактерий - концепция действительно интересная. Катализатор в устройстве размножается сам, не отравляется, способен окислять широчайший спектр топлив, причём с точки зрения бактерий самые легко перерабатываемые - спирты и моносахариды, многие из которых легко хранить, они являются достаточно пожаро- и взрывобезопасными, нетоксичными. Какой-нибудь глицерин, или... сахарный сироп (автомобиль на сахарном сиропе... это было бы необычно ). Правда удельная мощность таких конструкций пока остаётся очень низкой. Есть попытки их приспособить к выработке электроэнергии из сточных вод, но про мобильные приложения речи пока не идёт.