Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

турбовинтовые двигатели

Это тоже газовая турбина (только работающая на винт) и там точно такие же теплофизические проблемы. Вот поршневые (вроде двигателя классического Ан-2) вполне могут.

[AlexAV]

Но ничего,

Думаю вообще во всех областях при появление дефицита редких металлов турбины начнут постепенно уступать место обратно поршню. Уж очень они механически и термически нагружены и в силу этого требовательны к качеству используемых сплавов.  Поршневые же можно выполнить только из углеродистой стали и чугуна (или сплавов группы Al-Si (с добавками кальция, магния, железа, натрия, фосфора)). Т.е. из тех материалов которые никогда не кончатся.

[AlexAV]

А я про газовые турбины.

В газовых на электростанциях суперсплавы используются также как в авиационных двигателях.

[AlexAV]

Скажите, а прав ли Вадим по поводу экономичности ? Лучше спросить так - насколько они экономичны по сравнению с турбовинтовыми двигателями ?

КПД у них формально выше, но для авиации важно не только КПД, но и масса. А здесь у поршневых были (и пока есть) сложности. У них относительно турбины довольно низкая удельная мощность и из-за этого они при той же мощности требуют куда большей массы на самолёте, что сокращает соответственно его полезную нагрузку. В результате некоторый выигрыш поршневых по КПД с избытком перекрывается проигрышем из-за сокращения полезной нагрузки по сравнению с турбиной.

Здесь правда многое зависит от тягловооружённости самолёта. Для тихоходных с низкой - это различие по массе не так чувствуется и поршневой интегрально практически не уступает турбине (или даже превосходят их за счёт КПД). Для скоростных (с высокой) же недостаток удельной мощности становится критическим.

Просто, когда в СССР поставили задачу создать стратегический бомбардировщик "чтоб до Америки долетал"

Военный самолёт должен летать не только далеко, но и желательно быстро (ему ведь ПВО придётся преодолевать). Т.е. высокая тягловооружённость для него критична, поэтому и без турбины было никак.

А для самолёта с крейсерской 150 км/ч и аэродинамическим совершенством 40 (т.е. с большим удлинением крыла) - всё будет в точности наоборот (различие по массе роли почти играть не будут из-за малых требований по мощности, а различия по КПД выйдут на первый план). Так что всё от задач зависит.

[AlexAV]

Но видимо не рениевые

Сомневаюсь. Большинство современных монокристаллических сплавов для лопаток газовых турбин содержат рений.

Возможно проблему решить можно конструктивно, заменив привод компрессора, на тот же поршневой к примеру.

Нет там проблема в лопатками в выходном тракте. Если нужен сколько-нибудь приемлемый КПД надо поднимать температуры газов (а это очень агрессивные газы с остаточным кислородом воздуха и продуктами сгорания). И требуются сплавы, способные при гигантских механических нагрузках работать там тысячи часов. Ранние сплавы 50-х вроде нимоник-80 рения не содержали, но ресурс работы турбин тогда и их КПД оставляли желать лучшего. И лишь с переходом на монокристаллические сплавы получаются более-менее пристойные характеристики. Все монокристаллические сплавы начиная со второго поколения в качестве практически обязательной  компоненты содержат рений.

[AlexAV]

т.е. с большим удлинением крыла

Кстати главный плюс появления сверхпрочных углепластиков и органопластиков в авиации - это именно возможность сильно удлинить крыло. Что позволяет сильно поднять аэродинамическое совершенство и экономичность летательных аппаратов (собственно благодаря этому и появились экспериментальные самолёты на солнечных батареях, как транспортное средство они конечно практически непригодны, а вот как высотные стационарные ретрансляторы (замена спутников связи) - может и найдут применение).

[AlexAV]

Но мне кажется, что поршнёвая гражданская авиация - это вполне возможно.

На самом деле - даже более того, была. Летало что-то типа этого . Кстати уже упомянутый Ан-2 до сих по довольно широко используется.

[AlexAV]

сверхзвуковыми Конкордами

Ну это не слишком удачный пример. Ведь от него в конце концов отказались. Нет сегодня сверхзвуковой гражданской авиации, хотя раньше была.

Реактивная тоже не умрёт

Ну, да. Военные от неё так просто не откажутся. Там её будут использовать до последнего, уж очень много преимуществ даёт. Да и критерии оценки соотношения цены и отдачи у них немного другие, отличаются от гражданского сектора.

[AlexAV]

А нет ли хотя бы теоретической возможности заменить сплавы каким-нибудь другим материалом? Допустим, сапфиром?

По механическим и теплофизическим свойствам монокристаллический корунд и стабилизированный иттрием циркон могли бы подойти. Но материалы просто страшно нетехнологичные. Придать им нужную форму прямо при кристаллизации практичеки невозможно, т.е. придётся выращивать кристаллы, а потом их резать. А это материалы чрезвычайно твёрдые (особенно корунд) и при том хрупкие, обрабатываются плохо. Каждая лопатка будет крайне сложным ювелирным изделием. Это очень дорого и поэтому несмотря на свои прекрасные теплофизические свойства (которые хорошо и давно известны) их не используют.

[AlexAV]

Высокотемпературные ниобий кремниевые композиты замена никелевым жаропрочным сплавам.

Системы на основе ниобия безусловно перспективны как жаропрочные сплавы. Правда хотел бы обратить внимание, что ниобий конечно не рений, но тоже редкий металл.

[AlexAV]

Интересно что рений выделяют из концентратов(как побочный продукт конечно) с долевым содержанием, сравнимым с кларком ниобия.

Это сильное преувеличение. Концентраты из которых добывают рений содержат его около 0,04%, или 400 г/т. Кларк ниобия 20г/т. Различие в 20 раз - это очень много.

[AlexAV]

Но если найти хороший способ обработки этих минералов, всё изменится, да?

Если это удалось бы, то это для многих областей техники было бы не просто решение проблемы ресурсов, но гигантский технологический прорыв. По высокотемпературной прочности они (особенно диоксид циркония, который вообще является одним из самых жаропрочных материалов, существующим в природе) превосходит любой имеющийся сплав. Но пока не умеем, и даже не знаем с какой стороны подойти к проблеме.

[AlexAV]

Это наверное уже хвосты...
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%E5%ED%E8%E9#.D0.9D.D0.B0.D1.85.D0.BE.D0.B6.D0.B4.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D0.B5_.D0.B2_.D0.BF.D1.80.D0.B8.D1.80.D0.BE.D0.B4.D0.B5

Да, хвосты. Исходную породу ради рения никто специально не перерабатывает. С точки зрения экономики это было-бы абсурдом, такой рений стоил бы столько, что был бы просто никому не нужен. Из исходной породы добывают медь, молибден и т.д. При этом остаются отходы которые по сути ничего не стоят. И уже это бросовое сырьё целенаправленно перерабатывают для выделения рения (если бы таких богатых хвостов не было, его промышленная добыча была бы вообще невозможна).

[AlexAV]

Для солнечных коллекторов никакие особенные материалы не нужны:
- зеркала (или даже полированные металлические пластины),
- водяные трубы,
- чугуниевый чан с водой,
- простая паровая турбина.

Тут не всё так просто. Во-первых такая система работает только в абсолютно ясную погоду. Даже небольшая облачность сводит её эффективность к нуль. Годится только для очень специфического климата. Во-вторых сложная система сервоприводов для автоматической ориентации зеркал. Т.е. опять-таки дорого и, что более важно, производят энергию там где она никому не нужна (это в основном полупустынные местности местности с очень большим числом ясных дней в году), а тянуть трансконтинентальные ЛЭП - так вы разоритесь на них, такая инфраструктура на самом деле очень дорогая.

[AlexAV]

Ну, рванут в индустриальном смысле Египет, Алжир, Мексика.
Китай перенесёт производства в свои западные и северные районы.
У США предостаточно таких регионов.

Не переедут. Толку от этой (кстати весьма дорогой) энергии, если там сырья не будет и с водой проблемы. Кстати для самой термальной генерации самой по себе тоже нужно очень много воды (около 3,6 кг/кВт ч).

Дальний Восток России ускорится:
http://www.alisen.ru/assets/img/map_intensive.JPG

Нет, здесь надо не по потоку смотреть, а по количеству абсолютно ясных дней. Даже очень редкая облачность сводит эффективность системы к абсолютному нулю. Это очень специфический климат, свойственный полупустыням и пустыням (причём песчаные пустыни не годятся, первая же буря зеркала угробит).

P.S. ГЭС - хороший источник энергии, но её на самом деле не очень много даже с учётом сибирских рек.

[AlexAV]

В 2008 году было произведено во всём мире 150 ПВт×ч, т.е. 150.000.000.000 кВт×ч.
На это количество нужно было бы 540.000.000.000 л воды.
Это 17123 л/с = 17.1 куб.м./с.
Сток Нила - 2830 куб.м./с.

У Вас три нуля потеряно. 150 ПВтч = 150*1012 кВтч. При таком расходе воды это 540*1012 Л = 540*109 м3. Ну или 17123 куб.м./с.   

[AlexAV]

Расход воды - 75 кг в час при мощности 100 кВт. Т.е. расход получается не 3,6 кг/(кВт*ч), а только 0,75 кг/(кВт*ч) - почти в 5 раз меньше.

Там всё сильно от мощности модуля зависит. Чем она выше, тем сложнее организовать сброс тепла без испарения (я ориентировался на данные по градирням угольных ТЭС и АЭС).

[AlexAV]

Это если ДВС
А если так: https://astronomy.ru/forum/index.php?action=post;quote=3199795;topic=66577.9480;last_msg=3217978

А для с/х техники никакой осмысленной альтернативы ДВС собственно и нет.

Тянуть провода в поле - не годится. На инфраструктуре разоритесь. Аккумулятор - тоже не годится. Очень дорого и ёмкость мала (плюс очень много дефицитного лития надо). На автомобиле кое-как довести параметры до приемлемых удаётся только за счёт крайнего облегчения конструкции и рекуперации. Для трактора это не подходит.

[AlexAV]

Для 5-корпусного плуга шириной захвата 2,1 метра нужен трактор тягового класса 2 (т.е. трактор обеспечивает 2 тонно-силы тяги при сцеплении его колёс или гусениц на влажном грунте).
Прочность кевлара - 360 кг/кв.мм. Т.е. чтобы тянуть плуг, нужен кевларовый трос площадью сечения не менее 5,6 кв.мм. Для дополнительной прочности, удвоим это значение - пусть будет 11,2 кв.мм., т.е. диаметром 3,8 мм.
Объём троса длиной 1100 метров - 1100*0,0000112=0,01232 куб.м.
Плотность кевлара - 1500...1700 кг/куб.м., т.е. наши 0,01232 куб.м. весят не более 21 кг.
Вроде бы, не так уж и много.

Н-да... Сон разума рождает чудовищ...

Возьмём сравнительно небольшую Воронежскую область (она распахана почти полностью) и оценим что нужно чтобы её обрабатывать таким... э... "креативным" способом.  Площадь Воронежской области  - 52,4 тыс. км2. Разместим по ней сеть бетонок с шагом 2 км. Это получится приблизительно 26,2 тыс. км дороги. Общий дорожный фонд Воронежской области сейчас только 8,8 тыс. км и даже для их ремонта и содержания средств не хватает (можете в этом убедиться в любом райцентре уж не говоря о селе ). Т.е. уже это что-то выходящее за грань адекватности. Но это ещё мелочи...

У вас с шагом  120 м находятся обрабатываемые полосы. Длинна каждой будет не более 2000 м (требования по лесозащитным полосам, но реально меньше - в небесной канцелярии реки и овраги размещали совсем не по вашему плану). Если тянуть лебёдкой на электротяге на каждую такую полосу потребуется по стационарному электродвигателю. Итого на область около 200 тыс. таких двигателей. Ну и к каждому приставить по сторожу. А то, сами понимаете, борцы за рециклинг охотники за цветным ломом - не дремлют. Ну и естественно потребуется 200 тыс. самих сельскохозяйственных машин на этом лебёдочном приводе. Какие инопланетяне (а сельского населения области на это не хватит) это будут делать - теряюсь в догадках. Ну и плюс на десяток полос по подстанции и десятки тысяч километров высоковольтных и низковольтных линий. Откуда возникнут деньги на столь дорогую систему и какие инопланетяне это будут обслуживать - огромный вопрос.

И это похоже на разумное решение?

P.S. Сейчас в Воронежской области в с/х используется около 14 тыс. тракторов. И этого с запасом хватает.

[AlexAV]

http://podkofeek.ru/capuchino/122-traktori.html

Использовать двигатели внешнего сгорания в принципе можно (их много - паровые, стирлинги, водно-аммиачный и т.д.)... Но они имеет ряд принципиальных недостатков по сравнению с двигателем внутреннего. Прежде всего тяжёлая система теплообменников и как следствие низкую удельная мощность (а для парового открытого цикла - большой расход воды). Для колёсной техники, где масса имеет значение - это довольно большая проблема. По большей части даже ДВС с газогенератором (при всех его проблемах) у парового выигрывает.