Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[sharp]

Извините за оффтоп, но если не верить в бесконечный прогресс, то его точно не будет.

Перефразирую: если не верить в вечный двигатель, его точно не будет...

[ivanij]

 

Комментарий модератора раздела

За непрекращающиеся систематические нарушения Правил (3.1а, в) mbrane исключается из числа участников Форума. Пока временно.

 Сообщения, нарушающие указанные пункты Правил - удаляются.

[AlexAV]

Я все таки останусь на мысли, что титана квазибесконечное количество.

Я не спорю, что титан является 9-м по распространённости элементом в земной коре, который занимает по сути некое промежуточное положение между породообразующими элементами и примесными, и уже поэтому не самый проблемный из всех. Однако тут всё равно интересно рассмотреть вопрос более внимательно. Если это сделать, то можно заметить несколько интересных особенностей и ограничений, которые всё же не позволяют считать титан именно квазибесконечным, скорее только возобновляемым, со скоростью возобновления не слишком малой, но всё равно ставящей заметные ограничения.

Какие могут быть источники титана в долгосрочной перспективе? В принципе по сути их может быть два.

1) Извлечение из собственных минералов, содержащихся в тяжёлой фракции песков. Титана в горных породах довольно много и существенная его часть там находится в форме кристаллов собственных минералов, а не изоморфной примеси. При выветривание этих пород минералы оказываются в составе песков, а в силу того, что зёрна этих минералов достаточно устойчивы к выветриванию и имеют относительно высокую плотность — накапливаются там.

Выделение из песков зёрен определённых минералов возможно различными физическими методами обогащения, что делает этот процесс сравнительно недорогим даже при низкой концентрации добываемого минерала в песке. При содержание целевого минерала около 2 кг/т видимо несколько долларов за кг.

Однако здесь сразу нужно учитывать один момент. Данный источник не является квазибесконечным. Титан извлечённый из этих минералов в результате использования будет постепенно рассеиваться и переходить в конечном итоге преимущественно в форму коллоидных частиц глин, а не возвращаться в обратно к форме макроскопических зёрен собственных минералов.

В большем масштабе времени рассеянный титан вернётся и к форме зёрен... но это уже потребует временного масштаба в сотни миллионов лет. Т.е. осадочные породы будут смыты в океан, там затянуты в зоны субдукции, а далее из этого вещества будут выплавлены новые породы, которые при эрозии дадут песок, содержащий зёрна собственных минералов титана.

Тем не менее, поскольку этот глобальный конвейер работает непрерывно, то в геосфере также непрерывно идёт поступление магматических пород на поверхность и их выветривание. Этот процесс также непрерывно генерирует новый песок, содержащий определённое количество интересующих нас минералов. Что делает данный источник хотя и не квазибесконечным, но, по крайней мере, возобновляемым.

Как оценить скорость возобновления. Большинство элементов на Земле описывают следующий цикл. Они вымываются из горных пород на материке, осаждаются на ложе океана, затягиваются в зонах субдукции и снова выплавляются в виде магматических пород. В целом этот процесс видимо близок к квазистационарному режиму. Это позволяет сделать соответствующие оценки.

Для оценки его масштаба можно рассмотреть данные по захоронению фосфора (цикл которого сравнительно хорошо изучен) на океаническом дне. Скорость этого процесса оценивается приблизительно как 13,7 млн.т./год (В.С. Савенко, А.В. Савенко ГЕОХИМИЯ ФОСФОРА В ГЛОБАЛЬНОМ ГИДРОЛОГИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ. ГЕОС. М.: 2007).

С учётом среднего содержания фосфора в гранитах - 0,7 кг/т, которые составляют основную часть материковой коры, получаем, что в этот цикл вовлекается приблизительно 19,6 млрд. т. породы ежегодно.

Кварц — минерал достаточно устойчивый к выветриванию, поэтому его достаточно крупные кристаллы из породы будут в основном становиться частью образующегося при выветривание песка. Доля кварца в граните около 30%. Соответственно при выветривание  19,6 млрд. т. первичной породы должно образовываться 5,88 млрд.т. кварца в виде песков (на самом деле меньше, т.к. часть зёрен в граните будет микроскопически мала, но пренебрежём этим).

Теперь можно посмотреть типичное соотношение минералов в песках. Здесь я использую данные вот этой работы: https://elibrary.ru/download/elibrary_12689336_82006814.pdf

В песке присутствуют следующием минералы титана (минерал, соотношение количества минерала к кварцу, содержание титана):

Ильменит 0,006 31,6%
Лейкоксен 0,0045 36%
Титанит 0,0015 24,5%
Анатаз 0,00073 60%
Рутил 0,00039 60%
Брукит 9 10^-6 60%

В сумме нам это даёт скорость накопления минералов титана 27 млн. тонн в год в пересчёте на металл. Эта же цифра даёт верхний лимит добычи из этого источника, когда можно ещё говорить, что он никогда не кончится.

Цифра действительно получается не такой уж маленькой (больше текущей добычи диоксида титана), но совсем не безразмерной, скажем она существенно меньше текущего потребления алюминия и соизмерима с потреблением меди. Это в принципе накладывает вполне ощутимые ограничения на расширение областей применения титана. Можно сказать например точно, что титан железо не заменит никогда, титана не хватит.

[Кремальера]

Какие могут быть источники титана в долгосрочной перспективе?

Луна.И это уже не особая фантастика.Там концентрации доходят до 10%,тогда как на Земле в лучшем случае 3-4%.

[AlexAV]

Луна.И это уже не особая фантастика.Там концентрации доходят до 10%,тогда как на Земле в лучшем случае 3-4%.

На земле меньше, в среднем 0,45%, если бы было 3%-4%, то и предмета бы для обсуждения не было.

А вот луну серьёзно рассматривать не стал бы. Стоимость добычи и доставки с луны хотя бы чего-нибудь заведомо превышает стоимость ту цену, по которой титан хоть кому-нибудь будет нужен. Цена даже в 100$/кг для большинства областей его применений неприемлема, а 1000$/кг уж за гранью добра и зла. Добыча чего-то на луне сразу же даст десятки или сотни тысяч долларов за килограмм в сегодняшних ценах. Ну и кому это надо?

[sharp]

Добыча чего-то на луне сразу же даст десятки или сотни тысяч долларов за килограмм в сегодняшних ценах.

Добыча при помощи возвращаемого аппарата, конечно, как-то так и будет. Однако если развернуть на Луне инфраструктуру - скажем, ЭМ-катапульту и группу роверов, то цена за тонну может быть и существенно снижена. Разумеется, при добыче в сотне тысяч или даже миллионы тонн, чтобы отбить большую стоимость начальных капиталовложений.

[Зануда]

А вот луну серьёзно рассматривать не стал бы. Стоимость добычи и доставки с луны хотя бы чего-нибудь заведомо превышает стоимость ту цену, по которой титан хоть кому-нибудь будет нужен.

К тому времени, когда титан реально будет возможно выплавлять на Луне, он на Луне и будет нужен. А доставка туда чего-либо сейчас, помнится, обходится в десятки тысяч долларов за килограмм....

[AlexAV]

(продолжение)
2) Теперь посмотрим на другой тип источника — глины. Т.к. при использование и последующем рассеяние титан будет возвращаться в эти же глины (а деться ему больше просто некуда), то глины с кларковым содержанием титана можно действительно считать квазибесконечным источником. Но вот если посмотреть внимательнее, то можно обнаружить, что и от туда его неограниченно извлекать не получится.

Титан в глинах находится в рассеянной форме и в форме частиц нанометрового размера. В этом случае его отделение физическими методами невозможно. Здесь нужны химические, переводящие титан или в раствор или в газовую фазу для дальнейшего разделения, что осложняется достаточно высокой устойчивостью соединений титана.

В целом извлечение из такого источника скорее-всего будет напоминать современную технология РЗЭ и тория. Т.е. кислотное выщелачивание с последующим дробным осаждением (есть другой путь — хлорирующий обжиг, но т. к. ТiO2 начинает хлорироваться в условиях близких к SiO2 такой путь переработки не столь интересен, уж очень мало соотношение Ti:Si, кислоты хотя бы кремзём не растворяют). Посмотрим на этот процесс более внимательно.

Типичный состав глин (приведён средний состав глин русской платформы кайнозойского возраста, но для прочих он отличается не сильно):

SiO2       57,85%
Al2O3    12,16%
Fe2O3     6,09%
TiO2       0,62%
CaO        6,57%
MgO       2,42%
K2O        2,56%
Na2O      1,05%
SO3         0,22%
CO2        5,21%

Минералы титана достаточно устойчивы к кислотам, в большинстве случаев даже более чем минералы алюминия и железа. Поэтому кислотном выщелачивание титана в раствор будут идти вообще все металлы, которые содержатся в глине.

Если для выщелачивания использовать концентрированную соляную кислоту (дешёвая серная кислота — артефакт нефтегазовой эпохи, она дешёвая пока есть дешёвая газовая сера или, по крайней мере, сульфиды, как только их запасы будут исчерпаны, а серную кислоту придётся получать из сульфатов (в пределе ещё сами эти сульфаты придётся извлекать из морской воды ) - серная кислота станет одной из самых дорогих кислот), то для этого потребуется 522 кг хлороводорода или 1,5 т 35% соляной кислоты. Стоит соляная кислота около 260$/т (http://sjzxlwchem.en.made-in-china.com/product/TvjxXoSbSIhN/China-Hydrochloric-Acid-Price-Hcl-Industry-Grade.html), т. е. только на реактивы в этом случае уйдёт не менее 60$/кг оксида титана. Уже как-то не так уж дёшево получается...

Но самое существенное не это. Посмотрим на весь цикл такого производства в глобальном геофизическом аспекте. Соляную кислоту мы получаем из водорода и хлора, которые в свою очередь получаются электролизом раствора соли:

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2 + Cl2
H2 + Cl2 = 2HCL

Далее этой кислотой выщелачиваем глину и осаждаем щелочью из раствора поэтапно оксид титана, гидрооксид алюминия и железа. При этом однако натрий, калий, кальций и магний останутся в растворе в виде хлоридов, т. е. на осаждения гидроокислов будет уходить меньше гидроксида натрия, чем образовывалось при получение соляной кислоты, необходимый для выщелачивание этого объёма глины. Куда этот избыток щёлочи денется? Практически при любом способе дальнейшего использования она или сразу, или в несколько стадий, будет связываться с углекислым газом атмосферы в карбонат натрия и в этом виде уходить в океан.

По сути глубокое выщелачивание породы в геохимическом плане будет эквивалентно её же глубокому естественному выветриванию и в сумме по циклу будет вести к необратимому связыванию углекислого газа из атмосферы. Можно оценить, что переработка 1т глины таким образом будет необратимо  выводит из атмосферы 44 кг CO2. А это серьёзно.

Не знаю можно ли перегреть нашу планету выбросами углекислого газа (когда линии поглощения CO2 насыщены влияние концентрации углекислого газа на прозрачность атмосферы в ИК мало и описывается лишь логарифмической функцией, да и фанерозое были периоды, когда концентрация СO2 достигала 3000 ppm без особо страшных последствий), а вот изъятием слишком большого количества заморозить можно точно (благо в геологической истории Земли прецеденты были, скажем неопротерозойское оледенении).

Если концентрация CO2 упадёт существенно ниже уровня при котором идёт насыщение поглощения его линий — будет полный мрак и ужас. Ледники на экваторе заказывали? - Будут! А урожайность злаков в 1 ц/га (если они вообще в тундре расти будут)? - Обязательно!
Это не то что цивилизация, но человек как биологический вид маловероятно, что переживёт.

Какой масштаб допустимого изъятия углекислого газа из атмосферы? Среднее значение потока углекислого газа, поступающего из литосферы в атмосферу в результате метаморфозы горных пород и вулканизма (т. е. потоки обеспечивающие возврат углекислого газа из карбонатных отложений) около 300 млн. т./год (http://shadow.eas.gatech.edu/~jean/paleo/Berner_1983.pdf). Маловероятно, что из этой цифры можно нескомпенсированно забирать более 20% не устроив ледниковый период с ледниками под Нью-Йорком , на планете в последние несколько сотен тысяч лет и так было достаточно холодно.

Т.е. геохимический лимит вовлечения пород для этого способа тоже есть, определяется балансом углекислого газа в атмосфере, и его в долгосрочном плане можно оценить как что-то около 1,4 млрд.т. Это может дать 8,7 млн.т. оксида титана (или 5,2 млн.т. в пересчёте на металл), т. е. получается даже меньше тех объёмов, которые могут дать пески.

Этот безлимитный источник оказывается не столь уж безлимитным, если учесть различные геохимические ограничения и мы планируем дальше жить на этой планете.

[Зануда]

Какой масштаб допустимого изъятия углекислого газа из атмосферы? Среднее значение потока углекислого газа, поступающего из литосферы в атмосферу в результате метаморфозы горных пород и вулканизма (т. е. потоки обеспечивающие возврат углекислого газа из карбонатных отложений) около 300 млн. т./год Маловероятно, что из этой цифры можно нескомпенсированно забирать более 20% не устроив ледниковый период с ледниками под Нью-Йорком , на планете в последние несколько сотен тысяч лет и так было достаточно холодно.

Спорно. Если верить Вики, в атмосфере сейчас сотни гигатонн углерода, в океане - десятки тысяч гигатонн, а захоронение в виде карбонатов оценивается в 130-380 мегатонн в год. И сколько-то углерода ещё поступит в атмосферу прежде чем будут исчерпаны запасы ископаемых углеводородов.

// Мысль в тему - доставлять углерод со спутников Юпитера или ещё более далёких планет в виде гигантских снежков - искусственных комет. Технология будет отработана во время терроформирования Марса  .

[sharp]

Какой масштаб допустимого изъятия углекислого газа из атмосферы?

В соседней теме про климат, отдельные трщи с радостью изъяли бы весь

[AlexAV]

В соседней теме про климат, отдельные трщи с радостью изъяли бы весь

Такое на планете уже было. И мир представлял собой вот такой вот курорт :

[AlexAV]

Спорно. Если верить Вики, в атмосфере сейчас сотни гигатонн углерода, в океане - десятки тысяч гигатонн, а захоронение в виде карбонатов оценивается в 130-380 мегатонн в год.

Это верно. Полный цикл углекислого газа от рождения в зонах субдукции до возврата в литосферу как раз и занимает около 130 тыс. лет. Если баланс нарушить не очень сильно то расплата придёт не слишком скоро, но тем не менее...

Однако главное следствие из сказанного - что кумулятивная добыча выше уровня обозначенного геохимического лимита путём глубокого выщелачивания породы будет конечной величиной. А сам лимит для которого данную деятельность можно осуществлять вечно без угрозы тяжёлых проблем в будущем (пусть даже отдалённом) оказывается не очень большим.

[Kaiserfrogling]

И мир представлял собой вот такой вот курорт

Алекс, цивилизация способная изьять из атмосферы столько углекислоты, способна разместить на орбите больше кол-во отражателей чтобы часть света проходящего мимо земли переотражалась на нее.

[Зануда]

Алекс, цивилизация способная изьять из атмосферы столько углекислоты, способна разместить на орбите больше кол-во отражателей чтобы часть света проходящего мимо земли переотражалась на нее.

Проблема в том, что углерод из атмосферы может изымать не только цивилизация. Карбонаты мелового периода - результат деятельности совершенно безмозглых созданий...

[Кремальера]

Стоимость добычи и доставки с луны хотя бы чего-нибудь заведомо превышает стоимость ту цену, по которой титан хоть кому-нибудь будет нужен. Цена даже в 100$/кг для большинства областей его применений неприемлема, а 1000$/кг у

Лунный титан это завтрашний день.Хотя пробовать уже можно и сегодня.Если конечно положенное кило на Луне будет стоить долларов 70(с помощью того же BFR).Про обратную дорогу вам уже написали-катапульта,рейлган или что-то не ракетное.Плюс Луны еще в том что титан плавят в вакууме,которого там как гуталина на фабрике.Ну и специфичность его применения:почти половина идет на аэрокосмическую отрасль.Что мешает лысому хозяину Blue Origin следующий ракетный завод построить в кратере Шеклтон.

[snickers]

.Что мешает лысому хозяину Blue Origin следующий ракетный завод построить в кратере Шеклтон.

Рентабельность. Ну и отсутствие потребителей на месте).
...
Кстати насчет выгодно/нет...
В Китае в первом полугодии 2017 года было введено в строй ​​24,4 ГВт мощности солнечных электростанций, на сегодняшний день общая мощность солнечной энергетики КНР достигла почти 102 ГВт. Это почти столко, сколько потребляет РФ.
а насчет адептов секты углеводородов --
Николя Юло, министр экологических преобразований - власти Франции наложат осенью мораторий на выдачу лицензий на разведку новых месторождений нефти и газа. То есть докачают что есть и хватит. Нефть и газ не кончаются, а становятся менее востребованными.  /то касается их как топлива.

[Кремальера]

Нефть и газ не кончаются, а становятся менее востребованными.  /то касается их как топлива.

"Каменный век кончился не из-за того что закончились камни."(с)Это крутая  новость.Это серьезно.Не какие то там частники-фрики.Если за дело берется пятая республика,так и будет.Но правда у них много атомных АЭС.Все расчитали -подлецы.

[AlexAV]

Это почти столко, сколько потребляет РФ.

Нет. Вы забыли о КИУМ, который составляет у СЭС процентов 12%. Чтобы получить реальную генерацию цифры установленной мощности у СЭС надо делит приблизительно на 10. Ну и кроме того учитывайте, что Китай по населению в 10 раз больше России. Учитывая это сразу становится понятен реальный масштаб цифр, точнее его отсутствие (развитие солнечной энергетики Китая вообще несложно прогнозировать, смотрите на Болгарию, Грецию, и Испанию - там будет также, короткий начальный рост и стагнация на уровне нескольких процентов полного потребления сети).

 

власти Франции наложат осенью мораторий на выдачу лицензий на разведку новых месторождений нефти и газа.

А там вообще осталось хоть что-то, что ещё не разведано?

[Зануда]

Кстати СЭС попала в книгну рекордов Гинесса.
Оригинал стать тут - https://regnum.ru/news/2153608.html

Посчитаем. Номинальная мощность 1 МВт. Она должна сберечь за год 300 тонн топлива. При эффективности дизель-генератора 0,184-0,220 кг/(кВт*ч) это означает годовую выработку 1.36-1.63 *10^3 МВт*ч, т.е. КИУМ будет 15.6-18.6%

В Китае в первом полугодии 2017 года было введено в строй ​​24,4 ГВт мощности солнечных электростанций, на сегодняшний день общая мощность солнечной энергетики КНР достигла почти 102 ГВт. Это почти столко, сколько потребляет РФ.

Вы забыли поделить на пять. КИУМ для китайских СЭС составляет по китайским же данным 17%. За 2016 год их (СЭС) выработка электроэнергии составила 1% от общекитайского производства (там же).

[.]

Мнение заслуженного эрудита, в тему: Есть ли будущее у электромобилей?.
P.S. Даже несколько неожиданно резко.