Как нам снизить цены на сырьё для космических 3D-принтеров и топливо для орбитальных АЗС до $100/кг?

[alboros.livejournal.com]

Оригинал взят у alboros в Как нам снизить цены на сырьё для космических 3D-принтеров и топливо для орбитальных АЗС до $100/кг?

Оригинал взят у alboros в Как нам снизить цены на сырьё для космических 3D-принтеров и топливо для орбитальных АЗС до $100/кг?

А вот как:

Принципиальная схема использования суборбитальных РН для доставки различных веществ в газообразной форме в орбитальных коллектор - аналог орбитальных накопителей воздуха таких как советский ВКСН, и зарубежные PROFAC и PHARO. Себестоимость доставки сырья на НОО снижается до 50-100 долл./кг, при коммерческих ценах (в зависимости от грузопотока) в 200-900 долл./кг, против нынешних от 6000 до 9000 долл./кг.

Для доставки металлов как сырья для аддитивной печати непосредственно в космосе и получения ракетного топлива для ЖРД и рабочего тела для ЭРД, удобны, к примеру, вот такие газообразные соединения:

Карбонил никеля – газ с относительной плотностью 5,9 (воздух = 1) при температуре выше 43°C.
Висмутин – газ с плотностью 8,665 г/л при температуре выше 17 °C.
Перфторбутан с плотностью в виде газа 10,6 г/л при температуре выше 0°С.
Гексафторид вольфрама с плотностью в виде газа 12,9 г/л выше 17 °С.
Гексафторид урана с плотностью в газообразном состоянии 15,7 г/л выше 54 °С.
Гидрокарбонил кобальта – газ при комнатной температуре.
Пентакарбонил железа – газ выше 105 °С.

Газообразные соединения с водородом образуют большинство неметаллов и некоторые металлы главных подгрупп: фтор (HF), хлор (HCl), бром (HBr), иод (HI), астат (HAt), сера (H2S), селен (H2Se), теллур (H2Te), полоний (H2Po), азот (NH3), фосфор (PH3), мышьяк (AsH3), сурьма (SbH3), висмут (BiH3, весьма неустойчив), углерод (CH4), кремний (SiH4), германий (GeH4), олово (SnH4), свинец (PbH4), бор (B2H6).

В процессе захвата эти сложные вещества подвергаются высокотемпературному воздействию, распадаются и создают новые соединения при охлаждении. Вместе с тем, существующие технологии разделения химических элементов, обеспечат сепарацию или синтез требуемых веществ из смеси, образуемой в накопителе коллектора.

Многие из этих веществ необходимы для производства в космосе комплектующих и агрегатов космических аппаратов по программе AMAZE. Европейское космическое агентство (ЕКА) приняло программу AMAZE: применение 3D-печати для создания металлических частей и компонентов для космических аппаратов, самолетов и термоядерных реакторов. Аддитивные технологии выгодны для использования в космосе. Перспективность решения проблемы сырья для космических 3D-принтеров очевидна – ЕКА инвестировала около 20 миллионов евро в исследования по созданию «Методов трехмерной печати AMAZE».

/Использованы материалы компании AVANTA-consulting/

UPD. Принципиальная схема работы КТС «Орбитрон»

Принцип работы КТС «Орбитрон» изображен на анимированных схемах: http://www.youtube.com/watch?v=s4VRZURMGZA и https://youtu.be/aQ1atAGFC9k . На видеосхеме суборбитальная ракета-носитель поднимает свернутую оболочку на заданную высоту, где её разворачивают и наполняют газом из газогенераторов, прикрепленных к оболочке (ракета возвращается на стартовую площадку). К моменту достижения наивысшей точки подъема, оболочка максимально наполняется. В точке остановки подъема включаются коррекционные двигатели, размещенные равномерно вдоль оболочки, чтобы обеспечить зависание на заданной высоте, которая соответствует высоте орбиты коллектора. Время зависания – 5-7 секунд.
В таком положении оболочка образует газонаполненный канал на пути орбитального коллектора. КА-накопитель, оснащенный гиперзвуковым диффузором, пробивает тонкую мембрану на торце цилиндра баллонета (слева на кадре видео), проходит внутри трубы, собирая встречный газ с аэрозолем, и выходит с противоположного (правого в кадре) конца трубы, пробивая торцевую мембрану. Диаметр оболочки больше диаметра коллектора и поэтому масса оболочки не захватывается коллектором и не пополняет орбитальные запасы вещества. В накопительной камере газ, из-за тормозного нагрева обратившийся в плазму, смешивается с водой или другими разбавителями для охлаждения до н.у.
При захвате газа, коллектор теряет часть кинетической энергии. Восстановление затраченной энергии производится за счет двигательной установки с электроракетными двигателями (удельный импульс 16000-32000 м/с), а в перспективе двигателями с прямым лазерным нагревом рабочего тела. Рабочее тело ЭРД (аргон и т.п.) содержится в баллонетах-газгольдерах. Благодаря ЭРД 75-50% поступивших веществ сохраняется и используется затем на орбитальных АЗС и технологических платформах. Энергоснабжение ЭРД осуществляется от бортовой солнечной электростанции, состоящей из бескаркасных тонкопленочных солнечных батарей (удельная мощность 2-5 кВт/кг) с центробежной системой раскрытия и стабилизации (в соответствии с технологией, разработанной для ССЭС д.т.н. В.М. Мельниковым). В моменты забора газов из баллонетов, пленочные батареи свернуты в рулоны. После прохождения газового канала, батареи фотоэлектрических преобразователей разворачиваются и работают до следующей встречи с суборбитальным газовым баллонетом.
В другом варианте, энергоснабжение коллектора осуществляется посредством лазерного излучения от внешних источников, расположенных на орбите или наземных. Лазерное энергоснабжение позволяет снизить высоту орбиты коллектора до уровня, обеспечивающего применение СМР с высотой подъема 110-120 км. При этой высоте орбиты коллектора, накопление кислорода и азота (необходимого для изготовления высококипящего топлива), производится непосредственно из атмосферы, точно также как в системах ВКСН-PROFAC-PHARO, с одновременным использованием параллельного способа поставок всех остальных необходимых веществ посредством газгольдеров-баллонетов, доставляемых СМР.
В процессе захвата газа из суборбитальных баллонетов, коллектор под воздействием тормозных импульсов периодически меняет орбиту своего движения, а затем восстанавливает первоначальное орбитальное движение при помощи двигателей малой тяги. Принципиальная схема движения КТС «Орбитрон» и поставок порций газа посредством СМР изображена на анимированном чертеже: https://youtu.be/J7fidEJrNVk .
Часть аккумулируемого вещества используется для увеличения балласта коллектора – вещества используемого в качестве аккумулятора тепла в системе охлаждения и массы, понижающей потерю скорости коллектора при получении тормозного импульса. Благодаря наращиванию доли балластной массы, происходит меньшее снижение высоты орбиты после захвата очередной порции вещества и/или при постоянных параметрах межорбитального движения коллектора, происходит увеличение массы порции захватываемого груза. Так, начиная с поглощения порции газа массой 10 кг, коллектор в последующем обретает возможность поглощать порции газа массой 100 кг, не меняя при этом существенно свою конструкцию.

Перепосты:
http://i-future.livejournal.com/727077.html
http://techno-world.livejournal.com/118701.html
http://economics-techn.livejournal.com/149308.html
http://videoelektronic.livejournal.com/2304756.html
http://4humanity.livejournal.com/103269.html
http://rus-futurmodell.livejournal.com/56003.html
.

Comments

[xplight.livejournal.com]

[alboros.livejournal.com]

UPD

Заправка жидким кислородом межорбитального (Земля-Луна) буксира из бортовых запасов КА PROFAC.

[alboros.livejournal.com]

UPD 2.


Анимация схемы работы орбитального накопителя со свертываемыми тонкопленочными солнечными батареями на примере КТС "Орбитрон" для промышленной лунной базы.
.

Анимация одной из схем работы орбитального накопителя по захвату сырья поступающего с промышленной лунной базы (вариант безракетной подачи вещества).

[winwars.livejournal.com]

...а скорость на орбите будет какая и какая скорость догоняемой порции лунного сырья, посчитать можете?

[alboros.livejournal.com]

Конечно, все давно посчитано. Доклад на эту тему был на Королёвских чтениях в 2013. Простейшие механические метатели вещества могут выбрасывать пылевые частицы со скоростью до 200 м/с. Более сложные газовые (с замкнутым циклом использования газа) обеспечивают 800-1200 м/с. Есть и другие варианты.

http://mayboroda.com/images/flash/11_3_eng.swf

Есть варианты использования на Луне многоразовых балоннетов-газгольдеров. Для переходя от концептуальной стадии к опытной нужны гранты. Мы их начали искать. Естественно не здесь, а там. Пока оформляем заявку на грант от частных инвестиционных фондов.

[lazy-flyer.livejournal.com]

[alboros.livejournal.com]

Уноптаниум, однако.

[shwed.livejournal.com]

Впечатляюще. Но почему именно в понедельник?

[alboros.livejournal.com]

22 февраля 2016

Так ведь же выходной день. Официальные праздники. Как раз время для работы.

[lugermaxotto.livejournal.com]

То есть получается, что система энергетически осмыслена, если рабочее тело в двигателе будет выходить на скоростях много больших орбитальной. Грубо говоря, на заборе вещества корабль теряет импульс захваченная масса на орбитальную скорость, этот импульс нужно скомпенсировать собственным двигателем, потратив массу рабочего тела, умноженную на скорость истечения, умножить на КПД, для ЭРД- от 30 до 60 процентов. То есть хоть какой- то эффект будет при КПД 50 процентов и скорости истечения для ЭРД 20 км в секунду, причем топливо для ЭРД и то, что выводится в этой системе- штуки взаимозаменяемые.
Так что сейчас проект на мой взгляд не относится к очень вдохновляющим, хотя вести исследования в этом направлении (возможно, с использованием малых летных моделей на каком- то этапе) целесообразно.
При наличии ЭРД с тягой в сотни граммов- килограммы и скоростью истечения 40-60 каме в секунду эта штука окажется перспективной.

[alboros.livejournal.com]

С точки зрения экономической проект очень даже впечатляющий. Для первой версии КТС себестоимость доставки вещества в орбитальные хранилища около 240 долл./кг. Масштабирование снизит себестоимость до 50-100 долл./кг и ниже.

Что касается целесообразности повышения удельного импульса ЭРД, то есть границы этому чисто инженерному желанию. Оптимальная скорость истечения такого квази-прямоточного ЭРД порядка двойной скорости входа воздуха или других газов в диффузор накопителя. Если скорость истечения будет ниже или выше, то масса энерго-двигательной установки будет увеличиваться и ухудшать экономику работы системы.

Касательно требуемой тяги ЭРД. Не сложно вычислить, что на каждый 1 Ньютон тяги за год за год в орбитальный накопитель поступит более 4000 кг вещества. С учетом того, что в текущий период на НОО выводятся разгонные блоки с КА общей массой 300-400 тонн в год, в составе которых 200-250 тонн - это топливо для вывода КА на ГСО или межпланетные траектории, то требуемая мощность ЭРД накопителя вычисляется достаточно просто. На первых порах будет выгоден грузопоток в 15-30 процентов.

[livejournal.livejournal.com]

Здравствуйте! Ваша запись попала в топ-25 популярных записей LiveJournal северного региона (http://www.livejournal.com/?rating=ru_north). Подробнее о рейтинге читайте в Справке (https://www.dreamwidth.org/support/faqbrowse?faqid=303).

[gutnikov-yira.livejournal.com]

Я надеюсь, суборбитальная ракета и воронка для сбора газов- напечатаны на 3D-принтерах, доставляемых на стартовую площадку беспилотными дронами?

[alboros.livejournal.com]

Обязательно. Как же теперь без дронов в любом деле.

[faleevv.livejournal.com]

С точки зрения банальной эрудиции, каждый индивидуум способен игнорировать тенденции потенциальных эмоций.

[norian.livejournal.com]

главное, запустить туда скоростную видеокамеру .. это будет хит йутуба :о))

только очень скоростную - весь процесс займёт примерно сотую долю секунды

ну и часть плазмы можно сразу же отправить в двигатель - профит !

Спутник будет порван в клочья

[zampotehkenguru.livejournal.com]

Ощущение, что никто не врубился.

Орбитальная скорость - это почти 8 км в секунду. Для сравнения начальная скорость винтовочной пули - максимум где-то 1 км в секунду. Поскольку энергия зависит от квадрата скорости, то при столкновения этой воронки или спутника с неким объектом поднятым вертикально вверх на ту же высоту - энергии выделится в 8^2=64 раза больше, чем если бы в них выстрелили из винтовки в упор. Короче им кранты.

[alboros.livejournal.com]

Такое ощущение, что нынешние инженеры разучились считать не только на деревянных счетах, но и на пальцах. Вы то сможете теперь в цифрах повторить то же что сейчас сказали? :-) Давление в гиперзвуковом диффузоре будет 3-30 атм., в зависимости от плотности газа в баллонете.

Внимая вашим "вычислениям" надо было сразу закрыть госпрограммы по орбитальным накопителям, их в же клочья порвёт:

http://alboros.livejournal.com/414978.html
https://www.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-042313-162241/unrestricted/PROFACPHARO-IQP.pdf

:-)))

P.S. Илон Маск купил вашу веревочную разработку?

[alboros.livejournal.com]

Как я уяснил, вы не поняли, что в этом варианте рассматривается захват газа. Поэтому приведу вам резюме проекта:

Abstract. Рассматривается возможность низкозатратного вывода на орбиту сырья для обеспечения индустриализации космоса, прежде всего для строительства спутниковых солнечных электростанций, которое требует цен доставки грузов в $100-200/кг. Анализируются финансовые и технологические предпосылки реализации. Проект основан на развитии концепции орбитального накопителя воздуха (ВКСН и PROFAC) и устранения его недостатков. Реализуется аналог забора вещества из атмосферы, когда коллектор газов не погружается в атмосферу, а наоборот, фрагмент атмосферы искусственно создаётся на его пути. Газ, заключенный в тонкостенный баллонет с помощью суборбитального носителя (лишь вертикально поднимающегося на нужную высоту) доставляется на высоту орбиты аппарата-накопителя, который при пролёте сквозь баллонет аккумулирует газ. Способ позволяет применять ракеты-носители с ресурсом ЖРД 150 часов и накопители с ресурсом ЭРД 50000 часов. Благодаря большому ресурсу работы низкая величина амортизации определяет невысокую цену доступа в космос.

Keywords: Green Climate Fund, Breakthrough Energy Coalition, Space Angels Network, PSP, ВКСН, PROFAC, PHARO, Orbitron, satellite, spacecraft, US 8882047, EP 2390188, RU 2398717, RU 2451631.

Теперь, надеюсь, вам стала понятна концепция КТС "Орбитрон"?

Транспортная система многофункциональна, обслуживает не только орбитальные платформы с 3D-принтерами, но орбитальные заправочные станции. В основе её давно разработанные прототипы, главный недостаток которых, - это ядерный реактор на борту. Эти коллекторы воздуха должны работать на высотах 100-120 км, а КА с ядерными устройствам должны по международным согрешениям размещаться на высотах не меньше 800 км. КТС "Орбитрон" (в отличие от прототипов) может работать на любой высоте, т.к. не привязана к относительно плотным слоям атмосферы.

[ashi-solo.livejournal.com]

Почитал с интересом. Понял примерно половину из обсуждений. Но - желаю удачи. Дело стоящее. Главное не забывать, что половина дела - это тупо физическая реализация сложных расчетов.

[alboros.livejournal.com]

Спасибо! :-)

[winwars.livejournal.com]

То, что "достаточно широко обсуждается" - так оно лет пятьдесят обсуждается. От обсуждения орбитальные электростанции ближе не становятся. Это ещё многие килотонны на орбите, которые туда не попадут, ибо у Человечества пупок развяжется строить такую электростанцию.

Да извлечь-то можно и ферросилиций и кислород и литий и никель и титан и алюминий - тысячи всего. Вопрос - сколько тысяч тонн на орбите понадобится, чтобы это проделать? На Земле такие предприятия отнюдь не малого габарита и массы и с огромными "хвостами" шлаков, топочных газов, с потреблением углерода, кислорода и тому подобное. Как эти килотонны оборудования на орбите окажутся, каким образом? Сейчас это не реально вообще. И технологий не проглядывается в обозримые десятки лет. То что эти килотонны оборудования помогут извлечь из нескольких тонн руды несколько сотен килограмм чего-то полезного, боюсь, ничего не изменит.

Так что краеугольный вопрос: какая будет скорость, например, самовоспроизводства космической инфраструктуры, с учётом использования основных материалов, добываемых во внеземном пространстве? Т.е. сколько должен весить космический плот для приёма на орбите руды, например, и с какой скоростью он сможет принимать руду с Луны? И какая стартовая масса всех средств, чтобы начать производство на орбите? Тысяча тонн оборудования? Десять тысяч тонн? Миллион тонн? Ибо чисто-модельная технология, которая способна лишь доказать принципиальную реализуемость способа - не интересна. А нужна масштабируемая технология, с хорошей массовой отдачей и высокими абсолютными показателями.

[alboros.livejournal.com]

Что вы, какие такие мильоны тонн? Я давно заметил, что при обсуждении темы индустриализации космоса недавние участники "по умолчанию" полагают, что раз есть слово индустриализация, то это означает сотни тысяч тонн оборудования и миллионы и миллиарды тонн сырья. В перспективе да. Для начала индустриализации - абсолютно нет!
Еще Бармин-отец разработал агрегат по переработке реголита. Доставляется типовой ракетой. Такие проекты есть у англов и амеров. Погуглите. Откуда жуткие цифры?

Ну и самое главное, об использовании лунного сырья для создания спутниковых солнечных электростанций (ССЭС) говорится в цитируемой заметке. Мы же предлагаем доставку сырья с Земли. Это дешевле и проще будет на первом этапе, чем поставлять сырье с Луны.

Если же вас интересует тема индустриализации Луны, то почитайте работы Ю.М. Ескова - они есть в сети.

Касательно "Это ещё многие килотонны на орбите, которые туда не попадут, ибо у Человечества пупок развяжется строить такую электростанцию.". Толковали, толковали, выясняли, что теперь пупок не развяжется - есть КТС Орбитрон с ценой доставки 200 долл./кг. И снова вы отступаете назад. Ну, так тогда и скажите, что не верите ничему, даже расчетам потому что так устроены :-)

[alboros.livejournal.com]

Касательно массовой отдачи - не торопитесь с выводами. Я немного был удивлен, когда вы пример с 1 кг к 1000 кг посчитали абсолютом. С какой стати, в пример видно, что допустимое торможение может быть равно 1700-1680=20 м/с, не 1-1,5 метров в секунду, что дает отношение 1 к 100. Кроме того, какой смысл считать отношение масс при поглощении сырья, если имеет значение отношение массы КА к итоговой массе накопленной за год и/или ха весь срок службы (5-10 лет)? Для земного варианта при массе 3,6 тонн, за год накапливается масса вещества 60 тонн и это не самый лучший вариант. Для Луны отдача еще выше.

Если же КА-накопитель имеет большую скорость в переселении (предел около 2380 м/с), то отношение может быть и 1 к 10, был бы хороший сброс тепла и переносимость перегрузок.

Надо понимать, где концепция, а где уже инженерное решение.

[burbilog]

И какая стартовая масса всех средств, чтобы начать производство на орбите? Тысяча тонн оборудования? Десять тысяч тонн? Миллион тонн? Ибо чисто-модельная технология, которая способна лишь доказать принципиальную реализуемость способа - не интересна. А нужна масштабируемая технология, с хорошей массовой отдачей и высокими абсолютными показателями.

А зачем там миллионы тонн? Лунный реголит -- источник железа в виде порошка, который можно практически сразу сыпать в SLS 3d принтер. Микрометеориты делают за вас почти всю работу, измельчая камни в мельчайшу пыль, остается только отфильтровать железо от остальных фракций.

Кроме того, есть проект спекания реголита свч-излучением во вполне монолитную массу за счет тех же микрочастиц железа, т.е. возможно, что постройка зданий на луне будет наиболее простой задачей.

Вот уже имеем здания и железные изделия любой сложности.