Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[crazy_terraformer]

Значит, тогда на поршневых двигателях поднимаемся выше и врубаем ракетные.

Обнаружил, что страницы под спойлером не загрузились, а отредактировать этот старый пост невозможно.

http://articles.adsabs.harvard.edu/full/1988LPI....19..831N

Title: "K-Frac + REEP-Frac": A New Understanding of KREEP in Terms of Granite and Phosphate Petrogenesis
Authors: Neal, C. R. & Taylor, L. A.
Journal: Abstracts of the Lunar and Planetary Science Conference, volume 19, page 831, (1988)
Bibliographic Code: 1988LPI....19..831N

(кликните для показа/скрытия)

(кликните для показа/скрытия)

Гафния кларка в KREEP-породах оказалось 35-40 ppm против 3 ppm в земной коре. 35-40 г/тонну мелочь, а приятно. Будет из чего рельсотроны делать и катоды для ЭРД.
Бария очень много 1000-1500 ppm=1-1,5 кг/тонну, считай руда бария. Кларк в земной коре Ba 425-600 согласно википедии.
По массе К2О-1%, Р2О5-1%, т.е. по 10кг каждого на тонну. Тория 19-20 ppm, против 9,6-13 ppm в земной коре, но всё равно маловато, хотя его концентрация должна быть выше в фосфатных зёрнах. Так что реголит или размолотая KREEP-порода подаётся обогащению в центрифуге....
Витлокиты Луны содержат 7500 ppm лантана и 220 ppm лютеция против 30ppm La и 0,5 ppm Lu в земной коре.

[AlexAV]

Нет, одним кальцием тут не обойдешься, без бария оксидный катод не работает.

Если не обойтись без бария, никеля

Посмотрел, что пишут в литературе. Барий все же можно заменить стронцием. В Зильберман М.М.  Термоэлектронные оксидно-никелевые катоды упомянается возможность использования состава 40% SrO - 60% CaO. У стронция по крайней мере есть более-менее очевидный биогенный источник. Из целестина (сульфата стронция) состоят скелеты акантарий ( https://en.wikipedia.org/wiki/Acantharea ).

Работает при более высокой температуре, чем барийсодержащие составы, но работает (приблизительно такие же эмиссионные характеристики как бариевый катод при 1180 К, стронциевый дает при 1300К). Но температура работы стронциевого оксидного катода все ещё значительно ниже температуры плавления никеля (и железа). В качестве материала керна и губки оксидных катодов сейчас применяют практически исключительно никель, однако каких то очевидных противопоказаний мешающих тут заменить никель на железо высокой чистоты не видно (железо инертно к рассматриваемым оксидам и и скорость его испарения при рассматриваемой температуре даже ниже, чем у никеля, единственно механическая прочность железа в рассматриваемых условиях значительно меньше, чем у никеля). Тут правда могут быть какие-то технологические сложности с созданием железной губки достаточной чистоты, в отличии от никеля железо (особенно губка с развитой поверхностью) легко окисляется.

Впрочем даже в этом случае избавиться от никеля полностью не получится, так как без него надежный герметичный спай стекла и металла все равно не сделать (ну или возиться со ртутью и делать ртутные жидкие уплотнители, тогда можно без и никеля в данном узле).

[библиограф]

Впрочем даже в этом случае избавиться от никеля полностью не получится, так как без него надежный герметичный спай стекла и металла все равно не сделать

В обычные стекла для химической посуды искусные стеклодувы  вваривают титан даже на горелке
Есть даже специальная группа электровакуумных стекол - титановые стекла, их можно сваривать с титаном без проблем. 
В вакуумной камере - или в аргоне вполне можно вакуумноплотно впаять в стекло любой тугоплавкий металл - цирконий, или тантал, даже обычное железо.
Главное, чтобы были равные коэффициенты расширения стекла и металла.

[AlexAV]

Главное, чтобы были равные коэффициенты расширения стекла и металла.

А для ответственных мест - ещё чтобы и производная коэффициента расширения по температуре совпадала. Титан с 23-им стеклом имеет близкие коэффициенты расширения, но не идеально. У 23 стекла 9.3 10^-6 К^-1, а у титана при 20 градусов 8.2 10^-6 К^-1. Ну и температурная температурного зависимость коэффициента расширения у 23 стекла и титана различается. Титан пропаять через стекло можно, а вот гарантировать герметичность такого спая при больших перепадах температур - нет.

Сплав железо-никель (и тем более железо-никель-кобальт) тут уникален тем, что меня соотношение железа и никеля в сплаве можно очень-очень точно подогнать коэффициент теплового расширения стекла и сплава, а подбирая марку стекла - и производные коэффициента теплового расширения по температуре.



Для ответственных узлов, где герметичность очень критична (особенно работающих с большим перепадом температур) альтернатив сплавам железо-никель по сути нет (не считая сплавов платиновых металлов, где тоже можно довольно гибко управлять коэффициентом теплового расширения сплава для того чтобы его можно было очень точно подогнать под коэффициент теплового расширения заданного стекла).

[AlexAV]

Нитрогеназы как-то приспособить?

Тогда уж  аммиакмонооксигеназу. Вообще что-то подобное я и имел ввиду. Т.е. использовать бактерий нитрификаторов и нитрит-окисляющих. Так биологически можно аммиак почти количественно окислить до нитрата без потребности в каких-то труднодоступных катализаторах. Проблема тут в том, что растут эти бактерии в нейтральной и слабощелочной среде и на выходе будет получаться не азотная кислота, а нитрат чего-то там (кальция, натрия или аммония в зависимости от того чем мы будем поддерживать постоянное значение pH - известняком, содой или избыточным количеством аммиака).

Если нам нужен не этот нитрат, а собственно азотная кислота, то нитрат нужно будет как-то в неё превращать. Скажем путем перегонки с серной кислотой, но такая азотная кислота заведомо получится достаточно дорогой.

[-Asket-]

У стронция по крайней мере есть более-менее очевидный биогенный источник. Из целестина (сульфата стронция) состоят скелеты акантарий ( https://en.wikipedia.org/wiki/Acantharea ).

Из сульфата бария (барита) в чистом виде скелеты не формируются, но кристаллы барита выявлены у ряда простейших и харовых водорослей, работают грузиками в составе органелл статолитов обеспечивающих гравитропизм.
Geomicrobiology of Eukaryotic Microorganisms
Non-Skeletal Biomineralization by Eukaryotes: Matters of Moment and Gravity

[AlexAV]

В вакуумной камере - или в аргоне вполне можно вакуумноплотно впаять в стекло любой тугоплавкий металл - цирконий, или тантал, даже обычное железо.

Впрочем если линейный коэффициенты расширения металла и стекла будут хорошо подогнаны друг под друга, то в любом случае должно удовлетворительно работать. В конце концов диапазон нормальных колебаний температуры колбы электровакуумного прибора не такой большой, чтобы различного рода нелинейности тут играли критическую роль. В конце-концов если колба радиолампы греется больше 150 градусов - значит скорее всего надо как-то по-другому делать её охлаждения, а в интервале температур 0 - 150 и стекло и металл в плане теплового расширения обычно ведут себя более-менее линейно.

В этом случае под титан вполне можно подобрать стекло с коэффициентом теплового расширения ровно в среднем по заданному интервалу  температур коэффициенту теплового расширения титана. Что-нибудь состава Na2O-CaO-MgO-SiO2.

Под чистое железо подобрать тяжелее, но можно, что-то состава K2O-CaO-SiO2 с повышенным содержанием калия (если верить формуле Аппен что-то вроде (содержание в мольных процентах) 17% K2O, 12.5% CaO, 70.5% SiO2).

В общем получает, что какая-то вероятность собрать работающую радиолампу при наличии железа, натрия, магния, кальция, натрия, калия (того что точно доступно)  + стронция и, возможно, титана (того что менее доступно, но какие-то источники просматриваются) похоже все же имеется.

[crazy_terraformer]

Для ответственных узлов, где герметичность очень критична (особенно работающих с большим перепадом температур) альтернатив сплавам железо-никель по сути нет (не считая сплавов платиновых металлов, где тоже можно довольно гибко управлять коэффициентом теплового расширения сплава для того чтобы его можно было очень точно подогнать под коэффициент теплового расширения заданного стекла).

А керамику какую-нибудь вместо стекла подобрать можно?

[mbrane]

Для ответственных узлов, где герметичность очень критична (особенно работающих с большим перепадом температур) альтернатив сплавам железо-никель по сути нет (не считая сплавов платиновых металлов, где тоже можно довольно гибко управлять коэффициентом теплового расширения сплава для того чтобы его можно было очень точно подогнать под коэффициент теплового расширения заданного стекла).

А керамику какую-нибудь вместо стекла подобрать можно?

https://www.pripoychik.ru/info/articles/payka-spetsificheskikh-materialov/

[библиограф]

Впрочем если линейный коэффициенты расширения металла и стекла будут хорошо подогнаны друг под друга, то в любом случае должно удовлетворительно работать.

Можно и не подгонять; как говорил ослик Иа-Иа

-Во-первых, инженерная смекалка
   - Во-вторых, добросовестная работа!

В больших генераторных лампах всё медное; там применяют несогласованные спаи
металла со стеклом - генераторный триод ГУ-23 рассеивает 60 кВт, только мощность накала
у него 2.5 кВт - всё работает при сотнях циклов включения-выключения, ничего не трескается
и вакуум не нарушается.

А керамику какую-нибудь вместо стекла подобрать можно?

И похожий по характеристикам металлокерамический триод ГУ-66 - алюмооксидная керамика
паяется с металлом.

В этом случае под титан вполне можно подобрать стекло с коэффициентом теплового расширения ровно в среднем по заданному интервалу  температур коэффициенту теплового расширения титана.

Да всё уже давно подобрано - стекло С72-4, например, для пайки с титаном, или обычное
оптическое стекло К8 - когда делают титановые зеркала, тонкий слой стекла просто
наваривают на титановую основу, потом обрабатывают с нужной точностью.

[loky1109]

Селекцией нельзя получить нужный белок, а генетическая модификация это позволяет.

Что для сохранения ГМО-признака вообще-то минус.

Признак есть у родителей, он передаётся детям, затем внукам.

И это одинаково работает и у ГМО и у селекционных.

Селекция позволяет проявиться рецессивным генам. А генетическая модификация позволяет добавить гены в геном. Это принципиально разные вещи.

Да, при помощи селекции за реальные сроки не получить коров доющихся паутиной вместо молока или молоком с высоким содержанием инсулина, но, как я уже писал выше, это вообще-то ни разу не плюс в смысле сохранения признака с поколениями.

[Андрей Астрофизический]

это вообще-то ни разу не плюс в смысле сохранения признака с поколениями.

Ну вообще-то, ничто не мешает в дальнейшем, признак выведенный путем ГМО, поддерживать уже путем селекции. Выбраковывая из популяции те особи, которые нужный признак потеряли.

[loky1109]

это вообще-то ни разу не плюс в смысле сохранения признака с поколениями.

Ну вообще-то, ничто не мешает в дальнейшем, признак выведенный путем ГМО, поддерживать уже путем селекции. Выбраковывая из популяции те особи, которые нужный признак потеряли.

Изначальный тезис, с которым я спорю:

Ну, генетическая модификация вряд ли легко сотрётся, а вот сорта без селекции быстро вырождаются. Не за несколько сотен поколений.

[AlexAV]

Да всё уже давно подобрано - стекло С72-4,

С72-4 - барий, бор и литий содержащее (состав 4.5% B2O3, 1.5% Al2O3, 7% CaO, 12% BaO, 2% Na2O, 5%K2O, 4% MnO, 1% Li2O, остальное SiO2). Аналогично С68-1 (содержит бор и литий). А К8 - вообще по составу дичь какая-то, где кроме бария и бора ещё и мышьяк содержится (http://www.tegs.ru/wp-content/uploads/2018/07/K-8.pdf). Не пойдёт.

По условиям задачи в стекле не должно быть ничего, кроме натрия, калия, кальция, магния, алюминия и кремния. Однако, согласен, что и используя обозначенный список компонент изготовить стекло согласованное по линейному коэффициенту теплового расширения с титаном в принципе можно.

[Kaiserfrogling]

содержит бор и литий

Бора и лития много в морской воде, выпарить ее в той же Сахаре - почти бесплатно.

В этой части у данного метода только одно существенное требование.

Есть еще одна проблема - перевести аммиак в окислы азота несложно, а вот с обратным процессом большие проблемы.
Прямая реакция водорода с окислами кончится взрывом, обходные (например нитробензол-анилин) дороги

[AlexAV]

Бора и лития много в морской воде, выпарить ее в той же Сахаре - почти бесплатно.

И то и другое содержится там в очень низких концентрациях (особенно литий) и технически трудноизвлекаемые.

а вот с обратным процессом большие проблемы.

Обратно и не надо. Основные потребители связанного азота - удобрения (а там всё равно нитратная или аммиачная форма, растения усваивают и то и другое) и производство азотной кислоты. Азот в форме именно аммиака нужен только в органическом синтезе, но по сравнению с первыми двумя пунктами потребление там сравнительно небольшое.

перевести аммиак в окислы азота несложно

Без селективного катализатора реакция NH3 + O2 сильно предпочитает течь по ветке 2NH3 + 1.5O2 = N2 + 3H2O, а не 2NH3 + 3.5O2 = 2NO + 3H2O. А хороший катализатор, пригодный для промышленного использования, сейчас - это только платино-родиевый. 

[Kaiserfrogling]

И то и другое содержится там в очень низких концентрациях (особенно литий) и технически трудноизвлекаемые.

При фракционным выпаривании они оба уходят в брин("рапу"), оттуда выделить их селективным сорбентом (например хитином) не так уж и дорого

[AlexAV]

При фракционным выпаривании

Основной продукт этого процесса - соль (хлорид натрия) и экономически оправданный масштаб такой деятельности лимитируется спросом на соль. Заниматься таким выпариванием в том случае, когда соль окажется не полезным продуктом, который можно продать, а вредным отходом, который надо утилизировать, будет абсурдно. Соотношение получаемого таким образом лития к NaCl будет 1:200000 (т.е. 1 кг лития на 200 тонн соли), бора - 1:7800 (1 кг бора на 7.8 тонн соли). Мировое потребление соли - около 280 млн. тонн, если вся она будет удовлетворяться из морской воды, то из этого источника будут доступны около   1400 тонн лития и 36 тыс. тонн бора. Для сравнения золота сейчас добывается 3200 тонн, серебра - 26 тыс. тонн.

Боюсь при таком объёме добычи литий с бором до гражданской техники вообще доходить не будет, а полностью оседать в военном производстве.

[Kaiserfrogling]

экономически оправданный масштаб такой деятельности лимитируется спросом на соль.

Не только соль. Уже сейчас из отходов морской соли выделяют сульфат калий-магния, очень ценное удобрение (особенно под бобовые и крестоцветные, они любят и калий и серу)
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/i260059a018

[mbrane]

Уже сейчас из отходов морской соли выделяют сульфат калий-магния,

Сейчас некондиционную серную кислоту просто выливают....из названного только калий и представляет ценность...поелику хвостохранилищ с магниеевым слоями тоже куча
Условный Недостаток серы в почвах имеется только в Китае