Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[Андрей Курилов]

Здорово. Только ионы пишутся с одной "н".

[Андрей Курилов]

Резерв азота иметь в форме аммиака(рабочее тело системы терморегулирования) и нитратов удобрений.(еще карбамид, нитрат аммония и пр.)

Утечка аммиака в обитаемом отсеке будет катастрофой.

Многие поверхности могут быть покрыты толстой пленкой нитрида титана для уменьшения износа(истираемости) - наносится дешево и сердито, особенно в условиях глубокого ваккума.(не рассматриваю это, как запас азота, скорее как механическую защиту)

Это здравая идея, конечно.

На самом деле в звездолете придется бороться с избытком азота, переходящим в атмосферу из пищевой цепочки. Азотофиксирующими бактериями или прямым синтезом аммика/нитратов

Баланс как раз и должен обеспечиваться азотфиксирующими бактерия. И вообще-то в результате катаболизма белков/аминокислот азот в атмосферу обратно не выделяется, а усваивается растениями.

[SY]

Утечка аммиака в обитаемом отсеке будет катастрофой.

В жилых отсеках для терморегуляции можно использовать воду, заодно будет как резерв вещества, а далее через теплообменник - аммиак компрессором на внешние радиаторы. За счет более высокой температуры решается проблема площади радиатора, заодно получается резерв азота.

[Андрей Курилов]

Да, кстати, насчёт воды. Это отличный энергетический и химический буфер. Запасает 89% кислорода по массе. Думаю воды сразу должно быть не менее 10% от массы бочки. А лучше 20-25%.

[alex_semenov]

И так. Небольшой промежуточный итог.
Мы тут нашли интересную и сложную проблему СЖО ВСЕХ колоний в глубоком космосе (не важно какой привод). Важно, что нет дармового источника света…

КПД цепочки электричество->растительная пища настолько низко, что просто нет никакого смысла ее воспроизводить "влоб".

Пока видно(как я понимаю) два пути…
Очень экзотический, предложенный AlexAV.

Интересно оценить такой вариант. Эффективность производства сухой биомассы из водорода 3 г/г. Если принять, что эта биомасса соответствует 4.1 ккал/г, то КПД преобразования получается 36%.  Если взять какого-то консумента второго порядка, то ещё где-то 10% от этого. Т.е. суммарный КПД от водорода до мяса около 3,6%.  Т.е. получится (начиная от водорода) 5 кВт/человека (те которые перейдут так или иначе в тепло в помещении с околокомнатной температурой).
Учитывая, что КПД производства водорода, исходя из тепловой энергии реактора, не ниже КПД производства электроэнергии - выигрыш есть.

То есть насколько я понял, мы должны организовать некое хемосинтетическое "болото" некий "подвал", где первичная биомасса нарабатывается в полной темноте, хемосинтезом без участия света (мы подаем нужные химические компонетны...). Так как эти процессы изначально заточенные природой на скудное питание,  они идут с куда более высоким КПД (на поряок выше, десяток процентов) чем фотосинтез и есть смысл переходить именно на "мясную" диету.

Но я сторонник того, что бы таким путем пойти только для 50% пищи… Не более. Должна быть и растительная.

Что с растениями? Лучшее что было предложено (поправляйте если я не прав) освещать растения  неестественным светом.

Вот статья, помимо прочего популярно объясняющая зеленый цвет листьев.
Насколько я ее понял... Почему мы имеем такой низкий КПД фотосинтеза? Потому что поглащаются фотоны только определенной длины волны. Красные и синие. Остальные - брак. Отсев. Отсюда менее 1% света превращается в биомассу.



Очевидный ход - освещать теплицы только тем светом, на питание которым заточены данные растения. То есть нужны красные и синие полупроводниковые лазеры. Тогда  КПД фотосинтеза  должна возрасти до 10% и при кпд самих лазеров 30% мы можем наедятся получить по току-биомассе  3-1% с чем уже можно мириться.
Так?

Но смущает три вещи. Источник света для теплиц нам желательно иметь мощным, легким, относительно дешевым… А с лазерами (полупроводниковыми) … в виде лампочек для многих тысяч кв. метров теплиц… это возможно?

[Retired]

Очевидный ход - освещать теплицы только тем светом, на питание которым заточены данные растения. То есть нужны красные и синие полупроводниковые лазеры. Тогда  КПД фотосинтеза  должна возрасти до 10% и при кпд самих лазеров 30% мы можем наедятся получить по току-биомассе  3-1% с чем уже можно мириться.
Так?

Но смущает три вещи. Источник света для теплиц нам желательно иметь мощным, легким, относительно дешевым… А с лазерами (полупроводниковыми) … в виде лампочек для многих тысяч кв. метров теплиц… это возможно?

Да так, кпд п/п лазеров кладите не менее 40%.

Да, возможно, "Радуга" (светодиоды) уже давно серийно выпускаются (правда у них низкий кпд), лазеры - на любой видимый цвет (длину волны излучения).

[AlexAV]

То есть насколько я понял, мы должны организовать некое хемосинтетическое "болото" некий "подвал", где первичная биомасса нарабатывается в полной темноте, хемосинтезом без участия света (мы подаем нужные химические компонетны...).

Именно так.

Так как эти процессы изначально заточенные природой на скудное питание,  они идут с куда более высоким КПД (на порядки выше) чем фотосинтез и есть смысл переходить именно на "мясную" диету.

Не совсем. Просто химическая энергия - самая качественная и доступная для живых организмов. Кроме того, водород очень хорошо сопрягается с базовыми биохимическими элементами энергетической системы клетки.

Насколько я ее понял... Почему мы имеем такой низкий КПД фотосинтеза? Потому что поглащаются фотоны только определенной длины волны. Красные и синие. Остальные - брак. Отсев. Отсюда менее 1% даже по ФАР (то есть падаю ...

Это не так. Весь поток ФАР усваивается с высочайшей эффективностью. Скажем КПД первичной трансформации света в электрический потенциал мембран даже по солнечному свету (а не чистой ФАР, в солнечном ФАР только 40%) составляет около 30%. Но вот на пути от электрического потенциала мембран до прироста биомассы всё это теряется и остаются эти единицы процентов.

Проблема растения не в низком КПД усвоения света (он очень высок, на уровне лучших наших солнечных батарей), а в низком EROEI этого процесса. Очень много первичной энергии тратится просто на текущие нужды, а в рост растения уходит лишь меньшая часть. 

Энергия рассеянного света очень низкокачественная...

[alex_semenov]

Проблема растения не в низком КПД усвоения света (он очень высок, на уровне лучших наших солнечных батарей), а в низком EROEI этого процесса. Очень много первичной энергии тратится просто на текущие нужды, а в рост растения уходит лишь меньшая часть. 
Энергия рассеянного света очень низкокачественная...

Рассеяного - да. А если использовать две полосы (красная и синяя)?
Но если речь идет о том, что захваченная энергия у растений тратится на текущие нужны, а не на рост... тогда ситуацию спасет только генная модификация.

Гм... странно, что я раньше нигде не читал обсужденя этой проблемы замкнутых СЖО с искуственным освещением. Неуже ли никто ее не поднимал до нас?

[Андрей Курилов]

Проблема растения не в низком КПД усвоения света (он очень высок, на уровне лучших наших солнечных батарей), а в низком EROEI этого процесса. Очень много первичной энергии тратится просто на текущие нужды, а в рост растения уходит лишь меньшая часть. 

Да, не надо забывать, что растения тоже дышат молекулярным кислородом. Лишь избыток добываемой энергии и питательных веществ идёт в запасы в виде какого-нибудь крахмала, что животные научились тихонько красть. КПД фотосинтеза - это объедки и крошки, упавшие со стола растений.

[alex_semenov]

Насколько я понял, нам для конструктивного разговора далее надо иметь полную распальцовку процесса.
Сколько чего где теряется. От солнечного света до наработанной биомассы.
Например, сколько света (всего падающего) теряется на отражении листом?
Сколько света идет на нагрев листа?
Сколько на испарение воды (охлаждение)?
Сколько поглащается пигментом?
Какая часть  уже полученной энергии идет на дыхание?
И т.д.
Где-нибудь эта распальцовка собрана в одном месте?

[Андрей Курилов]

Очевидный ход - освещать теплицы только тем светом, на питание которым заточены данные растения. То есть нужны красные и синие полупроводниковые лазеры. Тогда  КПД фотосинтеза  должна возрасти до 10%

Помните "красно-страшную" картинку? Именно об этом я и говорил. Сейчас уже существуют специальные розовые лампы (светодиодные), способные довести фотосинтез до 10% КПД по электричеству. Только вот непонятно, зачем растениям лазеры.

НАСовцы уже давно на МКС картошку собирают
http://www.nasa.gov/centers/marshall/news/background/facts/advasc.html
http://www.nasa.gov/missions/science/f_lada.html

[AlexAV]

Только вот непонятно, зачем растениям лазеры.

Не существует эффективных синих светодиодов. У них КПД процентов 10-20 в лучшем случае. Если лазер с трансформацией в гармоники - получится лучше.

[AlexAV]

Сейчас уже существуют специальные розовые лампы (светодиодные), способные довести фотосинтез до 10% КПД по электричеству.

Лампы практически никак не влияют на КПД фотосинтеза (ели брать по ФАР). А 10% это видимо КПД самих ламп (электричество в ФАР).

[Инопланетянин]

Но если речь идет о том, что захваченная энергия у растений тратится на текущие нужны, а не на рост... тогда ситуацию спасет только генная модификация.

Мне кажется, что никакая генная инженерия не позволит растению оставаться живым, не затрачивая для этого никаких усилий. Это логически невозможно. Чтобы жить оно должно тратить на это энергию.

[Андрей Курилов]

AlexAV, нет, не эффективность ламп. Но я кое-что напутал. 10% - это средняя эффективность преобразования ФАР в "кислород и сахар". Судя по педии, половина солнечного света есть ФАР. Соответственно, при идеально подобранном свете эффективность собственно фотосинтеза будет для обычных съедобных культур ~3%, для сахарного тростника - до ~15%. Если КПД генерации ФАР по электричеству составляет 10%, то ясно, что больше 1% эффективности фотосинтеза по электричеству не добиться. ГМО может улучшить это примерно в 1.5-2 раза, судя по педии. Узкие места - электрогенерация света (минус 90%), промах фотонов мимо хлоропласта и нагрев листьев (ещё минус 3%), низкий КПД образования d-глюкозы (ещё минус 2%).

[AlexAV]

AlexAV, нет, не эффективность ламп. Но я кое-что напутал. 10% - это средняя эффективность преобразования ФАР в "кислород и сахар".

Тогда речь идёт о разных КПД. 10% КПД по фиксации углекислого газа вполне реальный. Вот только он совсем не равен КПД по приросту биомассы. Далеко не вся первичная органика идёт на рост растения.

[Андрей Курилов]

Тогда речь идёт о разных КПД. 10% КПД по фиксации углекислого газа вполне реальный. Вот только он совсем не равен КПД по приросту биомассы. Далеко не вся первичная органика идёт на рост растения.

Потери на "внутренние нужды" растения здесь уже учтены вообще-то.

[alex_semenov]

Господа!
Не все так просто.

Цитата отсюда:
Зеленый лист поглощает в среднем 75 % падающей на него энергии Солнца, но коэффициент использования ее на фотосинтез довольно мал. Выход фотосинтеза часто лимитируется сильным освещением, пониженным поступлением С02, уменьшением активности ферментов в процессе развития (например, при старении) и т.д. Поэтому в природных условиях КПД использования света в фотосинтезе невысок. При интенсивном освещении на фотосинтез тратится примерно 1—2%, а при более низкой освещенности — до 10 % поглощенной листом лучистой энергии. Остальные 90—99 % ее переходят в тепловую энергию, которая тратится на транспирацию и другие процессы.

То есть, лист получается, просто берет на фотосинтез столько солнца, сколько ему надо, если света больше то фотосинтез это не увеличивает. Излишний свет как раз идет на нагрев и испарение:
Вот тут:
Растение использует около 75 процентов получаемой им солнечной энергии без всякой переработки и одновременно в прямо противоположных целях: 35 процентов света нагревают растение, а около 40 – охлаждают его посредством испарения воды.

И тут нужно вот что твердо уточнить. Что мы подразумеваем под поглощенной лучистой энергией?
Весь свет поглощенный листом?
Суть в чем?
Что такое ФАР?
Цитата отсюда:
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИ АКТИВНАЯ РАДИАЦИЯ, (ФАР), часть коротковолновой, или интегральной, солнечной радиации (ИР) в диапазоне длин волн 380—710 нм.
Имеет наибольшее значение для физиологических процессов растений; дает фотосинтетический, фото-морфогенетический и тепловой эффекты. Величина ФАР может определяться с помощью фитопирано-метров либо рассчитываться на основе ИР с помощью переходных коэффициентов. Приближенно коэффициент перехода от суммарной ИР к ФАР равен: для падающей радиации 0,5, для отраженной радиации 0,2.

То есть ФАР - это НЕПРЕРЫВНЫЙ участок спектра от 380 до 710 нм?
То есть это (как не крути) просто часть спектра. По сути половина всей лучистой энергии от солнца?
И если это так и  мы собираемся освещать теплиуц определенными полосками спектра, надо четко понимать КАЧЕСТВЕННУЮ разницу между этим ФАР и нашими полосками.
Как я понимаю, в нужном листу участка спектра ФАР (красный, синиц) фотоны поглощаются пигментом интенсивней (скажем 10%), а вот всякий там зеленый, желтый, оранжевый - это все 100% идет на нагрев и испарение. Но если считать среднее по всему ФАР то и получаем хилые 1%! Но это диффузный ФАР!

В любом случае. Повышать интенсивность освещения для повышения продуктивности растений в теплице - глупо.  А вот что пишут здесь:
Часто сдерживающим фактором фотосинтеза является недостаток углекислого газа. Обычно в воздухе присутствует около 0,03 процента С02. Однако над интенсивно фото-синтезирующим полем его содержание уменьшается иногда в три-четыре раза по сравнению с приведенной цифрой. Вполне естественно, что из-за этого фотосинтез тормозится. Между тем для получения среднего урожая сахарной свеклы один гектар ее посевов должен усваивать за сутки около 300—400 килограммов углекислого газа. Такое количество содержится в колоссальном объеме воздуха.
Опыты известного отечественного физиолога растений В. Н. Любименко показали, что увеличение количества углекислого газа в атмосфере до 1,5 процента приводит к прямо пропорциональному возрастанию интенсивности фотосинтеза. Таким образом, один из путей повышения продуктивности фотосинтеза — увеличение концентрации углекислого газа в воздухе.

Отмечу что 1,5%  от 0.03% отличается в 50 раз. То есть, получается что по Любименко  фотосинтез можно усилить в 50 раз?!!! Довести кпд до 50%?  (слишком хорошо что бы было правдой). Нам хватило бы 10%! Кстати необходимые для этго 0.3% СО2 - это еще не смертельно. (опасной считается 7-10%).
Кстати в свете этого, может оказаться выгодным производить углекислый газ дополнительно химическим способом...

[AlexAV]

То есть ФАР - это НЕПРЕРЫВНЫЙ участок спектра от 380 до 710 нм?
То есть это (как не крути) просто часть спектра. По сути половина всей лучистой энергии от солнца?
И если это так и  мы собираемся освещать теплиуц определенными полосками спектра, надо четко понимать КАЧЕСТВЕННУЮ разницу между этим ФАР и нашими полосками.
Как я понимаю, в нужном листу участка спектра ФАР (красный, синиц) фотоны поглощаются пигментом интенсивней (скажем 10%), а вот всякий там зеленый, желтый, оранжевый - это все 100% идет на нагрев и испарение. Но если считать среднее по всему ФАР то и получаем хилые 1%! Но это диффузный ФАР!

Неправильно понимаете. 710-380 это полоса поглощения хлорофилла. Любой квант поглощенной пигментом здесь идёт в дело. Квантовая эффективность фотохимической системы во всей этой полосе около 98%. В не зависимости от длинны волны поглощаемых квантов (если они попадают в область ФАР) на каждые 8 поглощённых квантов синтезируются две молекулы НАДФН и две молекулы АТФ. Сужение полосы практически ничего не даст. Соотношение между синий и красной частью спектра всё равно менять нельзя, коротковолное излучение также физиологически необходимо растениям, хотя в энергетическом плане фотосинтез с его участием несколько менее эффективен (т.е. выход полезного продукта с кванта такой же, а вот энергия кванта больше).

Отмечу что 1,5%  от 0.03% отличается в 50 раз. То есть, получается что по Любименко  фотосинтез можно усилить в 50 раз?!!! Довести кпд до 50%?     (слишком хорошо что бы было правдой).

Потому что к реальности и не имеет никакого отношения. С ростом CO2 смещается точка оптимальной освещённости (и как следствие скорость фиксации), а КПД в оптимуме меняется мало.

[Проходящий Кот]

Так или иначе придется по пути воздуха из жилых помещений отсекать из воздуха азот.
Может охлаждать воздух, отделяя от него углекислоты ---- и  испарять её в оранжерее?