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

[alboros.livejournal.com]

Вот схема орбит для несбиваемого КА-грунтонакопителя. Две круговые орбиты с двумя промежуточными - эллиптической и спиральной.



Рабочим телом КА-накопителя может быть кислород, выделяемый из грунта, а так же магний кальций, коих достаточно в реголите для этих целей. В СССР был разработан ЭРД с магнием в качестве рабочего тела, мощность, если не запамятовал, около 1 МВт.

[winwars.livejournal.com]

Ну т.е. вопрос с поддержанием орбиты решаемый, я это уже понял из Вашего обсуждения вопроса в этой теме, да.
Несколько сомнительным представлялся процесс взаимодействия на скорости в 1-1.5 км/сек.

[alboros.livejournal.com]

Это всего лишь вопрос выбора наилучших решений. Вариантов настолько много, что нахождения наилучшего решения неизбежно. Не буду вас утомлять пояснениями, т.к. вы уже сейчас не видите очевидных решений, например, использования многообразных видов ловушек типа пулеулавливателей. Если действующие агрегаты по торможению пуль на скоростях до 1500 м/с вам кажутся сомнительными, то не вижу дальнейшего смысла растолковывать что либо по этой теме :-)
Спасибо за вопросы и терпение.

[alboros.livejournal.com]

Вот еще, видео, про почти готовый агрегат. Можно создавать совместную компанию для расхищения лунных ресурсов:

[winwars.livejournal.com]

Как правило ловушки для пуль - это либо рубленная резина (покрышки, например), либо мелкий щебень/песок. Для ловли снарядов (на полигонах) - уже земляные валы в много метров толщиной - как правило, в десятки метров, т.к. снаряд не только на несколько метров уходит в грунт, но и оказывает значительное воздействие на окружающую массу грунта, объём которого выбирается из соображений достаточности "балласта", дабы он не сдвигался со временем, при многократных попаданиях.
Во всех случаях энергия взаимодействия выше энергии, необходимой для разрушения материала улавителя.

Потому и интересно, как будет решаться улавливание добытого, да ещё в товарных если количествах пойманного. Т.е. если есть хороший, компактный и лёгкий, долговечный вариант улавителя для бронебойных снарядов калибра 57 мм - дело в шляпе. Если нет - над этим придётся порядком поработать, чтобы ловить 1-килограммовые камешки реголита со скоростью 1.5 км/сек (что примерно и эквивалентно 57-мм снаряду как раз).

В-принципе, есть вариант ловить лунный грунт лунным же грунтов - несколькими тоннами реголита на окололунной орбите. Что при этом материал будут разрушаться - так не страшно. А масса улавителя сыграет роль и балласта же и станет одновременно пополняться тем же самым материалом, репарируясь одновременно.

Но здесь надо бы считать - сколько должно быть ловушки, как долго она будет служить, сможет ли восстанавливаться за счёт пойманного, какой будет разогрев и сколько вообще можно ловить, чтобы это было выгодно по массе и имело какой-либо практический смысл.

[alboros.livejournal.com]

Ну, вот, вы проникли в суть концепции :-) Теперь дальше можете самостоятельно делать конструкторские шаги. Мы, кончено, немного дальше продвинулись и собрали массу материалов близких к теме лунной орбитальной ловушки сырья, но рад, что в нашем полку прибыло, в смысле добавилось специалистов, способных к дальнейшему развитию проекта.

Кстати, мы подавали заявку в ЕКА в ответ на их прошлогодний призыв высылать им предложения отовсюду, включая РФ, по решению задачи создания лунного поселения. Заявку как бы приняли, затем прислали приглашение на итоговую встречу в Голландии, но затем другая контора, рулящая приемом заявок, заявила, что типа вы из нехорошей России, и вам надо повторно подать заявку вместе с какой-либо около космической европейской компанией. Позиция странная, как в анекдоте - назло бабушке уши отморожу не возьмем россиииянские технологии что бы удешевить создание базы на Луне, лучше будем в 10 раз больше тратить. Поэтому с конца прошлого года готовим заявку в некоторые фонды США.

[alboros.livejournal.com]

Re: ловить 1-килограммовые камешки реголита со скоростью 1.5 км/сек

Ну, не нужно это, можно проще, на что и выданы патенты в Евросоюзе и в США. Вместо одного буллита массой 1 кг, практичнее использовать поток (струю) из частиц гранулированного реголита в количестве 1-10 тыс. штук массой по 0,1-1 грамму каждая частица. Посмотрите шведский ролик - он хорошо передает принцип приема потока высокоскоростных частиц.

Что касается целесообразности переработки реголита, то в мире уже масса бизнес-планов с оценкой выгоды продажи ракетного топлива, выработанного на лунной базе и других материалов, в виде кремния, алюминия, титана, никеля, железа, редкоземельных металлов и платиноидов. Весь вопрос в цене доставки сырья с Луны в околоземное пространство. Орбитрон решает проблему цены.

Нет проблем делать оценку самостоятельно - необходимые сведения имеются. Кстати, для снабжения лунного производства химическими реагентами, а без них трудно разлагать реголит на кислород, металлы, кремний и т.п, потребуются недорогие массовые поставки с Земли углерода, углеводородов, хлора и фтора. Это решит налунный вариант Орбитрона:

http://mayboroda.com/images/flash3/rolik22.swf

http://mayboroda.com/images/flash3/2.swf

Это тоже из материалов Королёвских чтений.

[winwars.livejournal.com]

Осталось несколько вопросов - насколько поможет дробление монообъекта - как правило, заряд дроби или картечи хотя и меньшей пробивающей способностью обладает, но далеко не той, что присуща отдельной частице из картечного снопа. А при одновременном подходе множества э... поражающих элементов, возникают интересные эффекты сложения ударных волн в объекте. Т.е. как ни крути - приёмник не должен состоять ни из чего, что было бы разрушаемо или невосполнимо. Просто потому, что ограниченный ресурс балласта массой в сотни или тысячи раз больше принимаемого груза - лишает идею и толики здравого смысла. Т.е. само по себе дробление запатентовать можно, конечно, но можно и не патентовать (патентуют же скруглённые углы?), а обратиться к богатому оружейному опыту. Это даже не акцентируя вопрос, что монообъект поймать всяко проще, чем сноп картечи, которая на расстоянии в десятки километров вытянется и рассеится в размеры, превышающие изначальные в тысячи раз.

Второе - мы тут говорим о выгоде использования реголита и всё такое. Но выгоды от использования реголита килограммами уловить сложно. Особенно, если для этого потребуются перерабатывающие заводы на орбите в сотни и тысячи тонн. Кто-нибудь считал не себестоимость пары килограмм реголита на орбите, а коммерческую воплотимость в жизнь и техническую достижимость всей системы? Ведь сколько бы дёшево ни стоило сырьё для топлива, например, на орбите Луны, если его можно будет получать с поверхности Луны в количестве килограмм/час, а для переработки и получения нужна будет инфраструктура в многие тысячи тонн на поверхности Луны и на её орбите - это заведомо абсурдный проект, находящийся за гранью технических возможностей Человечества. Не говоря даже о том, что не корректно выносить стоимость инфраструктуры за скобки проекта в стоимости получаемого материала (ну или период самоокупаемости закладывать в многие сотни и тысячи лет).

[alboros.livejournal.com]

1.1. Зачем нам нужна высокая проникающая способность поглощаемых частиц? Ясно, что не нужно это. Наоборот, нужно уменьшать тормозной путь.
1.2. Нет одновременного подхода к поглощающей среде картечин - они в в основном поступают последовательно, пости как в шведском фильме. Можно вообще рассматривать их не как картечь, а как последовательность пуль.
2.1. Нет какового использования реголита килограммами - Орбитрон работает непрерывно и его улов зависит только от спроса потрошителей и размера мошны инвесторов. Для окупаемости проекта, как показывает реальный спрос на изготовление КА, достаточно не более сотни тонн металла в год. Видимо вы не знакомы с работами по индустриализации Луны.
2.2. Повторяю, есть еще спрос на ракетное топливо для дозаправки разгонных блоков, выводящих КА с НОО на ГСО и на межпланетные траектории. Это около 300 тонн в год по с объемом продаж до 5 млрд долл.
2.3. Мы работаем в рамках сложившейся парадигмы неизбежности и выгоде индустриализации Луны и космоса, так что нет смысла говорить о некорректности чего-то там либо - мы в теме, а новичкам все кажется в диковинку и абсурдным :-)

[alboros.livejournal.com]

Вот интересный фрагмент советского еще периода:

"В настоящее время в печати достаточно широко обсуждается вопрос о целесообразности создания на околоземных орбитах крупных энергетических спутников, оснащенных оборудованием для преобразования солнечной энергии в электрическую с последующей передачей ее на Землю (в виде энергии микроволнового излучения). Решение этой технической проблемы возможно очень надолго освободит человечество от энергетического кризиса и облегчит охрану среды обитания людей от загрязнения. Эти на первый взгляд далекие от лунной тематики проекты оказались неожиданно введены в круг проблем, связанных с освоением Луны.

Дело в том, что рассматриваемые энергетические комплексы удобно расположить в окрестностях Луны, в так называемых «треугольных точках либрации». Искусственный спутник Земли, находящийся вблизи одной из этих точек, имеет чрезвычайно устойчивое орбитальное движение. Кроме того, доставка с Луны конструкционных материалов, составляющих основную массу спутника, или сырья для их производства требует в 20 раз меньших затрат энергии, чем доставка их с Земли. Итоговая оценка приводит к заключению, что строительство подобных систем может быть рентабельным только при условии доставки сырья с поверхности Луны.

На рис. 11 показана схема одного из вариантов транспортировки грузов с Луны на энергетический спутник. Специальный механизм, работающий на электроэнергии, разгоняет контейнеры с грузом до скорости 2,33-2,34 км/с, достаточной для выхода из сферы притяжения Луны. Затем контейнеры совершают полет по баллистической траектории и попадают в улавливающее устройство, представляющее собой конус диаметром у основания 100 м. Конус-«улавливатель» должен иметь бортовую двигательную установку для поддержания нужного положения на орбите, а также для транспортировки контейнеров с грузом к спутнику.

Если рассматривать лунный грунт как сырье для переработки, то легко можно убедиться, что наиболее просто выделить из него металлическое железо. Частицы, которые можно отделить с помощью слабых магнитных полей, составляют 0,15-0,2 % от общего веса грунта. Они содержат около 5 % никеля и 0,2 % кобальта. Для полного выделения железа, алюминия, кремния, магния и, возможно, титана, хрома, марганца, а также кислорода, который образуется в качестве побочного продукта, необходимо использовать обычный металлургический процесс.

Одна из возможных схем такого процесса представлена на рис. 12. Начинается все с измельчения грунта до максимального размера частиц 200 мкм (для этого могут использоваться вибрационные мельницы). Далее он газовым потоком направляется в печь обжига, причем по пути к печи в грунт добавляется ферросилиций, измельченный до частиц размером 50 мкм. Ферросилиций необходим"

http://m.litfile.net/read/101703/172000-173000?page=36

Обратите внимание, на возможность извлечения самородного железа с никелем.

[alboros.livejournal.com]

Вы спрашивали про использование КА-накопителей ЯРД.

"…
Самым интересным вариантом представляется ЯЭУ «Эльбрус-400/200». Вырабатываемая мощность в формированном режиме 400 кВт, в номинальном режиме 200 кВт. Время работы: до 0,5 лет в форсированном режиме; до 20 лет в номинальном режиме. Габаритные размеры в орбитальном положении, длина х ширина х высота (м): 74 х 6 х 2. Полная масса: 7000 кг. Экстраполируя данные по аналогам, резонно допустить, что масса буксира с ЯЭУ «Эльбрус-400/200» должна быть около 16000 кг.

http://ic.pics.livejournal.com/alboros/15109996/51749/51749_600.jpg

Длительность работы до 20 лет при 200 кВт электрической мощности – это вполне достаточно для реализации проекта орбитального накопителя лунного вещества и начала рентабельного производства ракетного топлива из лунной воды и/или реголита.

Рассмотрим основные параметры орбитальной установки по переработке лунного сырья в топливо.

Если сырьем, поступающим в накопитель является водяной лёд, то половина поступающего сырья может расходоваться в качестве рабочего тела плазменных ЭРД. Тогда, по сравнению, с ранее рассмотренным накопителем с мощностью около 1 МВт, КА-накопитель с ЯЭУ «Эльбрус-400/200» при работе в номинальном режиме в течение года будет аккумулировать в пять раз меньше сырья. Однако, с поправкой на 20 лет работы, масса захваченного и переработанного сырья составит 10500 тонн. А ежегодный темп накопления равен 525 тонн. Таким образом, после затрат на транспортировку годового запаса сырья и/или ракетного топлива к потребителям на околоземную орбиту, товарный запас сократится до 300 тонн, что соответствует текущим годовым потребностям по выводу коммерческих и научных КА с НОО на высокоэнергетические орбиты. Отправка груза с окололунной орбиты на околоземную может производиться еженедельно порциями по 10 тонн. Эти перевозки могут выполняться парой танкеров, использующих обычные химические ракетные двигатели. Однако, на первом этапе эксплуатации орбитального завода, производимое им ракетное топливо будет в основном использоваться для дозаправки грузовых КА, спускаемых с окололунной орбиты на поверхность Луны, что в несколько раз сократит стоимость доставки оборудования для развертывания лунной базы.

Если сырьем, поступающим в накопитель является реголит с содержанием кислорода около 40% от массы, то тогда только треть или четверть поступающего сырья, после переработки, может расходоваться в качестве рабочего тела ЭРД. Кремний и металлы не очень эффективны в качестве рабочего тела ЭРД [за исключением магния и кальция]*, а выделяемый из реголита кислород также не может полностью расходоваться в ЭРД, поскольку он является компонентом ракетного топлива, производимого на продажу. Вторым компонентом здесь являются порошкообразные кремний, алюминий, магний и другие металлы, извлекаемые из реголита. В виду того, что часть произведенного кислорода расходуется в ЭРД, то будет образовываться остаток кремния и металлов, которые не могут быть использованы в качестве ракетного горючего из-за дефицита кислорода. Эта часть сырья, может так же эффективно использоваться для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей) для последующего их использования на самом орбитальном заводе, на лунных базах, на геостационарных КА и, при спуске на Землю в капсулах, изготовленных из лунного сырья, в земной экономике.
…
http://alboros.livejournal.com/223162.html
"

[alboros.livejournal.com]

Еще довесок по вашим запросам, включая захват сплошной порции груза.

... Поступление лунной пыли в приемное устройство КА-накопителя при заданных параметрах равно 0,1665 кг/с. Ежесекундный расход 0,08326 кг/с. За 10 лет работы объем захваченного вещества составит 26 275 т. Эта масса в 1295 раз превышает массу буксира. С учетом массы аккумулирующего и перерабатывающего блоков пропорция будет раза в два меньше.

В варианте из 108 грунтометов, расположенных по кольцу вокруг Луны, время перелета между ними составляет около 1 минуты. КА-накопитель, пролетая сквозь пылевое облако от станции до станции в среднем захватывает около 10 кг лунной пыли. Погонная плотность пылевого облака, поступающего в накопитель, равна 100 граммам на 1 км. Разумеется, масса пыли, выброшенная единичным грунтометом будет в десятки раз больше, если пылевая струя будет формироваться традиционным способом. Однако, если пыль предварительно подвергалась грануляции, то поток лунного вещества может представлять собой последовательность стандартизированных частиц, с массой 0,1 или 1 грамм каждая, то за счет более высокой точности масса выбрасываемая единичным грунтометом может быть уменьшена до 10-100 кг. Время работы грунтомета для формирования струи длиной 101 км, равно 177 секундам. Соответственно, его полезная мощность будет находиться в диапазоне от 4,6 до 46 кВт. ...

Другим возможным вариантом подачи реголита в КА-накопитель может быть его подача целостными порциями, в виде сферической формы комков из прессованной и оплавленной снаружи пыли. Здесь монолитная порция реголита должна метаться вертикально в верх (на высоту в диапазоне от 1 км до 25 км) с повышенной точностью, что бы в момент прохождения КА-накопителя с несущественным отклонением от оптимального положения быть захваченной приемным устройством. В этом случае, приемное устройство должно содержать взрывную камеру, в которой происходит гашение скорости снаряда из реголита, путем его столкновения с буферной массой в центре камеры. Схему приёма грузов, близкую к описываемой, разработал еще в прошлом веке американский изобретатель Эдвард Марвик. С учетом параметров действующих взрывных камер, масса взрывной камеры КА-накопителя для захвата 10-ти килограммовой порции лунного сырья, должна быть равна 3-4 тоннам, а масса буферного вещества должна составить около 1 тонны [примечание: в тротиловом эквиваленте кинетическая энергия 10 кг реголита, ударяющего в буферную массу приемной или "взрывной" камеры, равна 3,3 кг ТНТ].
…
http://alboros.livejournal.com/222431.html