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

[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.

[winwars.livejournal.com]

Тогда поставим вопрос так: какая массовая отдача метода, с учётом накладных расходов на поддержание орбиты и какой порог эффективности метода?

Т.е. сколько будет (порядок цифр) весить космическая платформа для захвата груза, с какой (теоретически, с учётом достижимых в некотором отдалённом будущем удельных параметров ЯЭУ и ЭРД) скоростью платформа может принимать с поверхности материалы, не рискуя потерять орбиту, как соотносится скорость приёма материала с массой платформы (а то если это будут даже десятки тонн в год на несколько тысяч тонн платформы с реакторами и оборудованием - это разумнее химическими ракетами с Земли доставить), какой % извлечения целевого продукта в объектовых условиях, какой объём целевого продукта в абсолютных цифрах, учитывая выше сказанное, как этим продуктом можно распорядиться, чтобы эффект был выше затраченных сил (т.е. позволял развиваться более интенсивно, чем при прямой доставке готовых элементов инфраструктуры с Земли) и был конкурентен альтернативным существующим методам с учётом всех предполагаемых накладных расходов за некий период времени. Неплохо бы вообще представить, зачем это всё на орбите будет нужно, кстати. А то, может быть, не нужно.

А то чисто-концептуально, коллеги могут растить на "матрасах" культуры клеток, которые (чисто теоретически) представляют собой нормальный пищевой белок. Но ведь ежу понятно, что метод не позволяет кормить не то что Человечество - даже кошку, при любых реальных затратах. Т.е. перед любым "инженерным решением" хотя бы ориентировочный бизнес-план, а не решение ради решения и победа Идеи над здравым смыслом экономикой.

[alboros.livejournal.com]

Бизнес план, в чем проблема? И то что вы читали частично входит в него.

Часть 1

Очень много правильных тезисов высказано, но в полном отрыве от реальной практике генерации новаций и инновационной (внедренческой) деятельности. Если же соотнести ваши требования с реальной практикой, то тут же станет ясно, что многие из поставленных вопросов получают ответы в ходе R&D/НИОКР) (которые надо оплачивать, между прочим :-). Вы это прекрасно понимаете, но зачем-то (зачем?) всё равно говорите.

Так же, очевидно, что роль концептуальной стадии вами умаляется до нуля, что полностью противоречит реальной истории внедрения изобретений. Концепция – неизбежная стадия развития нового продукта, она относится к посевному этапу и самостоятельно финансируется для получения патентов ( а у нас уже есть пакет патентов). Не будет патентов, не будут инвесторы вкладывать средства в новацию. Так что ваш пафос против концептуальной стадии непонятен.

Более того, есть ключевые изобретения, «на способы», а не «на устройства», которые максимально концептуальны и позволяют монополизировать работу на рынках. По сути вы критикуете современную систему патентования изобретений, но какой в этом практический смысл при обсуждении перспектив проекта «Орбитрон»? Впрочем, если вы никогда не изобретали и/или не финансировали внедрение изобретений, то тогда я могу понять вашу логику. Однако, такой логикой никогда не руководствуются инвесторы и инноваторы, у них другие критерии и я их знаю.

Что касается расчетных данных, то они как раз образуют каркас концепции «Орбитрон». Расчетов много, т.к. много и вариантов реализации. Мне показалось, что вы концептуальную стадию понимаете как стадию работы с голой идеей без числовых данных. Вот, в качестве примера, показываю ранее опубликованный вариант.

ЛУНА. СИСТЕМА С ДВИГАТЕЛЯМИ МАЛОЙ ТЯГИ (смотрите продолжение)

[alboros.livejournal.com]

Часть 2


ЛУНА. СИСТЕМА С ДВИГАТЕЛЯМИ МАЛОЙ ТЯГИ
КАН массой 4250 кг. СБ не показаны. Возможно использование ядерного электрогенератора вместо СБ.
При высоте апоселения равной 100 км, скорость в периселении – 1695 м/с, с уменьшением скорости на 20 м/с, КАН переходит на низшую круговую орбиту (высота 10 км).
Добавление скорости на 21 м/с переводит КАН (по спиральной траектории) на верхнюю круговую орбиту высотой 100 км (на практике, при увеличении массы аккумулированного вещества, высота будет значительно снижаться).
Электрическая мощность пленочных солнечных батарей (СБ) – 0,156 МВт.
Электрическая мощность топливных элементов (ТЭ) – 0,07 МВт.
Электрическая мощность электроракетных двигателей (ЭРД) – 0,07 МВт
КПД ЭРД – 0,6
КПД зарядки ТЭ – 0,6
Удельный импульс ЭРД - 6780 м/с.
Масса СБ – 80 кг (0,5 кг/кВт)
Масса ТЭ – 70 кг (1 кг/кВт)
Масса ЭРД – 60 кг (0,75 кг/кВт)
Масса ловушки грузов – 1000 кг.
Масса прочего оборудования – 3040 кг.
Масса захватываемой порции груза – 50 кг.
Длина трека из вещества груза – 1700 м.
Время захвата трека – 1 с.
Ускорение торможения при захвате груза – 20-21 м/с2 (~2 g).
Количество операций захвата груза за 1 год – 3000.
Масса захваченного груза за 1 год – 150 тонн.
Масса груза израсходованного в ЭРД за 1 год – 37,5 тонн.
Масса груза аккумулированного на орбите за 1 год – 112,5 тонн.
Парк многоразовых лунных суборбитальных ракет (ракетных лифтов)– 2-4 штуки
.
За год на первоначальную массу КА равную 4,25 тонн накапливается 112,5 тонн лунного сырья. Соответственно, прототип массой около полутоны, захватывающий пятикилограммовые порции, за год аккумулирует 13 тонн сырья. КА должен работать в комплексе с орбитальным технологическим блоком, который извлекает из реголита магний, кальций и кислород как рабочие тела ЭРД.

Анимация: http://mayboroda.com/images/flash/10_short.swf

(см. продолжение - часть 3)

[alboros.livejournal.com]

Часть 3

1 – Первая точка (участок) встречи КАН с треком вещества поднятого с Луны (например, воды) суборбитальной многоразовой ракетой на высоту верхней круговой орбиты КАН.
1-2 – Участок нисходящего движения КАН (~57 минут) по эллиптической орбите после получения тормозного импульса в результате захвата порции груза в точке (участке) 1. Во время движения по этому участку осуществляются также в автоматическом режиме различные технологические процедуры по энергоснабжению ТЭ и обслуживанию ловушки грузов.
2 – Вторая точка (участок) встречи КАН с треком вещества поднятого с Луны суборбитальной многоразовой ракетой на высоту нижней круговой орбиты КАН. Получение второго тормозного импульса, переводящего КАН с эллиптической орбиты на круговую, в результате захвата порции груза в точке (участке) 2.
2-3 – Участок восходящего движения КАН (~114 минуты) по спиральной траектории с нижней круговой орбиты на верхнюю круговую орбиту под действием силы тяги ЭРД. Во время движения по этому участку осуществляются также в автоматическом режиме различные технологические процедуры по энергоснабжению ТЭ и обслуживанию ловушки грузов.
3 – Третья точка (участок) встречи КАН с треком вещества поднятого с Луны суборбитальной многоразовой ракетой на высоту верхней круговой орбиты КАН. Получение третьего тормозного импульса, переводящего КАН с эллиптической орбиты на круговую, в результате захвата порции груза в точке (участке) 3.
3-4 – Участок нисходящего движения КАН (~57 минут) по эллиптической орбите после получения тормозного импульса в результате захвата порции груза в точке (участке) 3. Во время движения по этому участку осуществляются также в автоматическом режиме различные технологические процедуры по энергоснабжению ТЭ и обслуживанию ловушки грузов.
4 – Четвертая точка (участок) встречи КАН с треком вещества поднятого с Луны суборбитальной многоразовой ракетой на высоту нижней круговой орбиты КАН. Получение четвертого тормозного импульса, переводящего КАН с эллиптической орбиты на круговую, в результате захвата порции груза в точке (участке) 4.
4-5 – Участок восходящего движения КАН (~114 минуты) по спиральной траектории с нижней круговой орбиты на верхнюю круговую орбиту под действием силы тяги ЭРД. Во время движения по этому участку осуществляются также в автоматическом режиме различные технологические процедуры по энергоснабжению ТЭ и обслуживанию ловушки грузов.
5 –Точка (участок) встречи КАН с треком вещества поднятого с Луны суборбитальной многоразовой ракетой на высоту верхней круговой орбиты КАН. Совпадает с точкой 1. Получение тормозного импульса, переводящего КАН с эллиптической орбиты на круговую в результате захвата порции груза в точке (участке) 5. Завершение цикла.

[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.

[alboros.livejournal.com]

Верно, в космосе и на Луне совсем другие условия для производственной деятельности. Еще старик Циолковский это отмечал.

А вот что писали советские разработчики планов индустриализации Луны:

"Кроме получения из лунного грунта металлов и других химических веществ, можно представить и иные возможности по переработке этого грунта в конструкционные материалы, такие, как стекло. Сырьем для производства стекла может служить плагиоклаз материкового реголита, представляющий собой почти чистый CaAl2Si2O8 с 0,5 % NaO2 и составляющим доли процента FeO. По сравнению с земным стекло из лунного грунта должно быть прочнее и выдерживать более длительные механические нагрузки без разрушения, так как из-за отсутствия воды в породах Луны, поверхность стекла должна иметь меньше дефектов, снижающих его прочность.

Используя лунный грунт, можно осуществлять и такой процесс, как базальтовое литье, широко применяемое при изготовлении пустотелого кирпича, строительных блоков, труб диаметром 3-10 см и длиной 1–1,5 м, отличающихся высокой стойкостью к кислотам и щелочам. Прочность продуктов этого литья из лунных пород может достигать при сжатии 10000-12000 кг/кв. см, а при растяжении -500- 1100 кг/кв. см.

Для изготовления конструкционных элементов с низкой теплопроводностью, а также фильтров могут использоваться спеченные материалы. По совокупности характеристик наиболее благоприятные условия для спекания частиц лунного грунта — нагрев их до температур 800–900 °C с выдержкой в печи от нескольких секунд до десятков минут и последующее быстрое охлаждение со скоростью 0,1–5 °C/мин.

Приблизительные расчеты показывают, что в некоторых случаях переработку лунного вещества в конструкционные материалы рентабельнее проводить в космическом пространстве, а не на Луне. При организации технологического цикла на поверхности Луны не всегда можно обеспечить непрерывное, освещение солнечными лучами устройств, преобразующих свет в электричество, в то время как в космическом пространстве это не представляет собой сложную проблему. Если учесть, что на транспортировку груза с лунной поверхности в космос требуется энергии в 5 раз меньше, чем на его переработку, то окончательная энергетическая стоимость производства в космическом пространстве получается в 8 раз меньшей, чем на Луне.

Вполне вероятно, что энергетические спутники будущего, о которых говорилось выше, более правильно себе представлять как некоторые промышленно-энергетические комплексы с большими производственными возможностями".

http://m.litread.me/read/101703/172000-173000?page=38