Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

500 полное восстановление биомассы подстилки

Зачем нам эта полная биомасса подстилки? Это относится больше к циклу углерода. А для блокирования эрозии достаточно многолетних трав. А при соответствующем содействии они появятся на следующий год.

[AlexAV]

Заинтересовал меня этот тезис, что "фосфор исчерпаем, потому что через городскую канализацию он уплывает в океан". Почитал я про "канализацию"   Так вот, при применении современных очистных сооружений он не "уплывает" дальше отстойников - остаётся там, например, в "биологически активном иле". А то, что уплывёт дальше - останется в иле рек. Ибо плыть из Челябинска до океана - шибко далеко 

В основном конечно не через канализацию (хотя и через неё тоже, не всегда и не везде стоки полностью ограничены от рек). Главные потери - из-за эрозии почв. По крайней мере повышение поступления фосфора в океан в результате человеческой деятельности - факт. Из В.С. Савенко, А.В. Савенко ГЕОХИМИЯ ФОСФОРА В ГЛОБАЛЬНОМ ГИДРОЛОГИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ:

Глобальный гидрологический цикл определяет основные пути ми-
грации вещества в биосфере. В ХХ столетии антропогенные изменения
окружающей среды приобрели повсеместный характер и привели к су-
щественной трансформации миграционных потоков химических эле-
ментов. Одним из элементов с наибольшей степенью антропогенной
трансформации естественных миграционных потоков является фосфор,
который извлекается человеком из недр Земли в количествах, сравни-
мых с мобилизацией из природных источников, и используется в ос-
новной своей массе в виде удобрений, рассеиваясь в окружающей сре-
де. По имеющимся оценкам, до 80% материкового стока растворенного
фосфора поступает из антропогенных источников.

Т.е. потери фосфора сущей где-то в 5 раз сейчас превосходят естественный фоновый уровень. И с это надо как-то компенсировать.

 

Ибо очень мелкий вулканический пепел, что их посыпает раз в ... большое количество лет - прекрасный поставщик в том числе и фосфора.

Чтобы хватало только таких естественных источников нужно чтобы уровень эрозии не превышал характерного для естественных ландшафтов. Для вспашного земледелия это вероятно невозможно...

Так что проблема на самом деле есть и очень серьёзная...

Так что идея "мелко измельчать горные породы" достаточно интересна. Да, мгновенного эффекта это не даст, но постоянно подпитывать почву фосфором - будет.

Вообще действительно. Несмотря на внешнюю странность такой идеи... Может помочь. Причём со всем сразу. И с калием (известно что калий ортоклаза и слюды в зёрнах менее 1 мкм становится биодоступным), и с фосфором, и с микроэлементами. Мгновенного эффекта давать не будет, но вот для долгосрочного поддержания плодородия почв... почему бы и нет...

[AlexAV]

Из Центральной России и Поволжья, например, фосфор никуда дальше Каспия не "уплывёт".

От этого радости очень немного. Каспий большой и солёный. Из него также ничего не достанешь, как и из океана.

[AlexAV]

Для того что бы размолоть не самую твердую породу известняк до фракции 2-5 мм нужно 3 квтч на тонну....если содержание полезного элемента 2-3 % умножает на 30-50... и еще делаете поправку на твердость

Да, удовольствие будет недешёвое. Но от песка с фракцией 2-5 мм в этом смысле пользы будет немного. Здесь скорее придётся бить в микронный порошок. И затраты электроэнергии при этом будут существенно больше. Что-то около 200кВтч/т породы (скажем мельница типа этой). При содержании фосфора 0,7 кг/т (типичное для гранитов) это около 285 МВтч/т фосфора... Связывание азота (около 10МВтч/т) по затратам энергии и рядом не лежало... Правда фосфора растения потребляют всё же меньше чем азота, что несколько облегчает ситуацию. Но всё равно электроэнергии потребуется очень много.

[AlexAV]

А зачем что-то измельчать,

Пепел содержит широкий спектр фракций. Основной удобряющий эффект связан с аэрозольной, которая переносится на большие расстояния.  А это:

Диаметр большинства частиц не превышал 2,6 мкм, а средняя его величина оказалась равна 1,4 мкм.

Миллиметровые частицы (если они монолитные, а не относительно рыхлые конгломераты из микро- и нано- частиц) будут распадаться слишком долго, тысячи лет.

[AlexAV]

Всё-таки термоядерный управляемый синтез будет возможен, хоть сейчас с этим и не получается.
Тогда вопрос об источнике энергии отпадает

D-T вероятно довести удастся... Однако уже можно сказать, что реактор будет чрезвычайно сложным и дорогим, причём с малым ресурсом многих компонент (прежде всего элементов первой стенки и дивертора). Как следствие с крайне высокой стоимостью производимой энергии. По крайней мере намного более дорогой, чем атомная.

Опять же не надо забывать, что без ряда дефицитных элементов термоядерный реактор вообще построить невозможно. Это прежде всего конечно бериллий (совершенно необходимый материал для элементов первой стенки) и гелий (для охлаждения катушек). Эти материалы являются весьма ограниченными и исчерпаемыми ресурсами.

Поэтому он не выглядит ни дешёвым, ни неограниченным источником энергии. По большей части будет крайне дорогостоящей технологией с ограниченной областью применения, а не "вечным двигателем" и "рогом изобилия".

[AlexAV]

Хотя, вроде бы, даже частицы песка (судя из приведённой мною цитаты) могут отдавать нужные нам микроэлементы в присутствии воды.

Не могут (да и том что вы привели об этом естественно не говорится). Известно, что малорастворимые минералы вроде ортоклаза, слюды и прочих устойчивых алюминосиликатов (из чего вся вулканическая порода в основном и состоит) начинают участвовать в почвенных обменных реакциях с заметной скоростью только при размере зерна порядка нескольких мкм. Вот скажем конкретно об ортоклазе (один из наиболее распространённых минералов):

Ортоклаз – один из источников калийного питания растений, хотя
слюдам и гидрослюдам принадлежит в этом отношении более важная роль,
так как содержащийся в них калий доступен растениям. По данным И.Г.
Важенина, калий усваивается из полевых шпатов лишь при измельчении до
0,001 мм.

(Из О.А. Скрябина "МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВ И ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД").

 

Ну, я в основном имел в виду: зачем скалы дробить в валуны, валуны в щебень, а щебень в песок, если можно сразу взять песок и, если надо, измельчить уже его.

Если есть удобная порода (богатая по какому-то элементу, имеющая уже нужную фракцию вроде вулканического пепла и т.д.) - естественно надо использовать. Но всего хорошего мало и на всех не хватит (или по крайней мере не надолго). А практически неограниченный ресурс - это только рядовая горная порода вроде гранита или базальта. Поэтому только о них и речь.

[AlexAV]

Например, действия в рамках изотопной экономики

Так там до 20 кэВ на ион расход электроэнергии. Там даже при разделение ОЯТ (в экспериментальных установках) вопрос в энергетической целесообразности этого регулярно возникает (в плане даст ли ядерное топливо больше энергии, чем потребуется для такой переработки ОЯТ).

А обычные отходы... Это ведь кратчайший путь к полному энергетическому банкротству.

[AlexAV]

+износ шаров (на соременных мельницах)...

Вот с износом элементов мельницы мне представляется и состоит здесь наибольшая проблема. Там же нужна высоколегированная хромом сталь. А вот где взять столько хрома не ясно...

[AlexAV]

+износ шаров (на соременных мельницах)...А в микронныке частицы - уже наверно под мегаватт счет пойдет - кпд мельниц низкий 5%

Можно ещё правда электронным пучком распылять. Расход энергии конечно очень большой. Около 7,5 МВтч/т. Но никакого износа механических элементов и за одну стадию получается порошок с нанометровой фракцией. Вроде такого (электронная микроскопия порошка диоксида кремния, полученного таким методом):

[AlexAV]

Ну тогда уж не хромом а маргацем - он как раз и создает повыщенную износоустойчивость ...А хромированная сталь поди тыще 3 долларов за тонну...

Шарики для мельниц - стать с высоким содержанием хрома (иногда ещё молибденом легируют, но всегда, а хром всегда). Без хрома нельзя обеспечить необходимую твёрдость сплава.

[AlexAV]

Без комментариев...

Действительно. Просто добыча этой субстанции при 65$/б тотально убыточна (да и вообще меньше 100$/б). Вот и пошёл коллапс отрасли. Вполне ожидаемый итог.

[AlexAV]

А, знакомый аппарат, у меня до сих пор в резерве А60 валяется(тоже самое только с цветным скрином). Вроде бы даже работает. Но батарея уже деградировала, заряд не держит.

Батарейка - всё же сменная деталь. А кроме неё там всё практически вечное (ну разве что износ и царапины на защитном стекле экрана).

С этой точки зрения, ЕРОЙ лучший показатель чем "денежные" выкладки.

Это очень связанные вещи. Правильно подсчитанный EROEI ~ 1/цену. В литературе есть следующая оценка. 1$  затрат соответствует 20МДж затрат энергии. Фактически это значит, что источник энергия с EROEI>1 не может стоить больше 18 ц/кВтч в розетке (баке/складе) конечного потребителя (а не на картинках презентаций). И да, цивилизация начинается с EROEI>5, т.е. основной источник энергии не должен быть дороже 4ц/кВтч.

P.S. Стоимость китайского угля (так скажем одной из основ мировой экономики сегодня) 120$/т, что соответствует 1,5 ц/кВтч тепловой энергии.      

[AlexAV]

Надо только организовать сбор пластика и обратно на завод это дело. В переработку.

Здесь не всё так просто.
1) Требуется сортировка по сортам. Иначе полученная масса будет мало для чего серьёзного пригодна, ну может быть только на не нагруженные детали (со слабыми требованиями по санитарным нормам), вроде литья канализационных труб.
2) При эксплуатации пластик необратимо деградирует под действием кислорода, озона, ультрафиолета и т.д. Что в конечном счёте сводится к снижению его молекулярной массы. Т.е каждая следующая итерация будет давать материал со всё худшими свойствами. Т.е. число циклов будет весьма ограниченно.

[AlexAV]

Поэтому СЭС не нуждается в дополнительном отводе тепла - поверхность не нагреется больше, чем нагрелась бы в случае отсутствия электростанции на этом месте.

Вы какую-то ерунду пишите. Термальная СЭС работает по такому же паровому циклу Ренкина как и большинство ТЭС (естественно кроме газопоршневых, газотурбинных и комбинированного цикла, там используются другие термодинамические циклы) и все АЭС. И проблемы с охлаждением отработанного рабочего тела там точно такие же. А уж производит тепло реактор, котёл, или собирают зеркала - здесь значения не имеет никакого.

Днём вода, нагреваемая солнцем, расширяется и совершает работу.
Ночью та же вода, остывая, уменьшает занимаемый ею объём и снова совершает работу.

И как вы это себе представляете? Расширившийся в турбине пар уже никакой работы совершить не может. Точнее может с помощью машины с низкотемпературным циклом вроде фреонового, но с очень низким КПД,и даст это лишь проценты от той работы которую пар совершил в турбине. Кроме того хранение миллионов кубометров отработанного пара чтобы "охлаждать его ночью" как вы предлагаете просто нереализуемо технически.

[AlexAV]

Шарики для мельниц - стать с высоким содержанием хрома (иногда ещё молибденом легируют, но всегда, а хром всегда). Без хрома нельзя обеспечить необходимую твёрдость сплава.

Справедливости ради элементы лабораторных мельниц (стаканы, шарики и т.д.) часто делают и из других материалов. Корундовая керамика, нитрид и карбид кремния, халцедоны (скрытокристаллический кварц). Эти материалы существенно дороже в производстве и обработке, но практически не ограничены по ресурсной базе. В принципе наверно при совсем критических проблемах с хромом для необходимых сортов стали на них могут перейти и промышленные мельницы...

[AlexAV]

Покажите мне испаритель:

В таком масштабе градирни различить сложно. Но где-то стоят среди зданий.

Можно же использовать температурное расширение (днём) и сжатие (ночью) воды в жидком виде.

Даже идеальный КПД такого цикла ничтожен. Единицы процентов. При учёте реальных свойств материалов (а именно конечного модуля Юнга, их теплового расширения и т.д., ведь у вас сосуд не должен деформироваться более чем на 0,007%) - так вообще неотличим от нуля. Это технический абсурд.

Фактически в нём будет заключено примерно 50 МВт*ч энергии.

После такого ответа у меня для студентов как правило экзамен заканчивается. Вообще-то превратить теплоту в работу полностью принципиально невозможно (второе начало не позволяет). Вы попробуйте посчитать КПД вашего цикла хотя бы идеальный термодинамический. А затем учтите ограничения на свойства материалов (прежде всего деформируемость и тепловое расширение). И окажется, что для такой странной конструкции цифра получится на много порядков меньше.

[AlexAV]

Резервуар площадью 1 га и глубиной 1 м "выдавит" из себя 140 куб.м. воды, которые могут быть использованы для толкания поршня, который может быть использован для вращения ротора динамомашины.

КПД процесса посчитайте.

[AlexAV]

В нашем случае температура "котла" - 383К, радиатор (ночью в Сахаре даже в июле - около 25С) = 300К.
Разница - 83К, КПД - 21,67%.

Неверно. У Вас не цикл Карно с двумя изотермами и двумя адиабатами, а совершенно иной цикл с двумя изобарами (если посчитать правильно получается идеальный термодинамический 2% при разнице температур 80 градусов). Но куда более существенная проблема в том, что вы напрочь забыли об ограничениях на свойства материалов.

При нагревании расширяется не только вода, но и ёмкость, кроме того ёмкость деформируется при повышение давления. Если взять сферическую ёмкость с толщиной стенок d (d<<R). То изменение объёма от давления будет dV/V₀ = 3P/E R/h P - давление, E - модуль Юнга,  R - радиус сосуда, h - толщина стенки. А полезная работа за цикл расширения у вас A = PV((a-3a_м)(T2-T1) - bP - 3P/E R/h).  V - объём, P - давление в цикле,  a - коэффициент термического расширения воды, aм - линейный коэффициент термического расширения материала сосуда, E - модуль Юнга сосуда, b - сжимаемость воды. Максимум этой функции соответствует давлению P = (a-3aм)(T2-T1)/(2(b+3/E R/h)).

Ну вот и оценим. a = 7*10^-4 К^-1, aм = 1*10^-5 К^-1, b = 5*10^-10 Па^-1, Е = 220ГПа, R/h = 10. Получим оптимальное давление 42МПа, а максимальную работу за цикл 0,3 кВтч/м3 воды (разница температур 80 градусов). КПД - 0,34%. Собственно и всё. Эффективность совершенно ничтожна. При инсоляции 3кВтч/м2 сутки с гектара площади вы снимите 100кВтч или 4 кВт среднесуточной мощности. Это абсурдные показатели.

[AlexAV]

Раскладка по современному балансу фосфора в мировом океане:



Невязка баланса численно близка к объёму добычи фосфора человеком и связывается с ним. Т.е. без антропогенного вмешательства сток фосфора в океан должен быть равен скорости его захоронения и выноса оттуда, т.е. 13,7 млн.т./год. При этом надо учитывать, что значительная часть этого фосфора никогда не была биодоступна. Это прежде всего касается пунктов стока влекомых наносов и эрозии берегов, да и взвесей отчасти тоже (очевидно что далеко не весь фосфор из взвесей какой-нибудь горной реки вроде Терека успевает поучаствовать в биологическом круговороте, а не отправляется сразу с гор в донные отложения). Т.е. реальное количество биодоступного фосфора достающееся океану без антропогенного воздействия скорее всего не превосходит 9 млн.т. (и меньше объёмов фосфора потребляемого сейчас в сельском хозяйстве).

Поэтому мысль:

Нужно водросли разводить в прибрежной зоне на выходе рек. Они будут фосфор сорбировать и накапливать. Давно известно что в местах прибрежной зоны где активна биота наблюдаются повышенные концентрации фосфора.

наверно не очень хорошая. В не зависимости от технической реализуемости. Т.е. при таком соотношение естественного потока и потребности легко можно взять слишком много, уменьшив содержание растворимого фосфора там. А поскольку для океанических экосистем фосфор - лимитирующий элемент, то итог этого может быть очень печальным. Вполне можно и великое вымирание там устроить (вроде пермского)... после которого вдруг выяснится, что содержание кислорода в воздухе в 21% нам никто не гарантировал.