Луна. Ищем место.

[Олигарх]

Сейчас продолжается анализ спектра вспышки от падения Smart-1.
Возможно, таки будут обнаружены следы водяного (или метанового?) льда.

Когда Lunar Prospector после завершения своего полета таким же образом врезался в полярный кратер, то тогда эти следы не были обнаружены.
Кстати, незадолго до падения этого зонда появилась статья, авторы которой утверждали, что в условиях полярных регионов, где Солнце не появляется, температура всегда около абсолютного нуля и постоянного галактического излучения (!) молекулы льда должны очень жестко связаться с молекулами реголита и извлечь лед из этого состояния будет очень сложно. Возможно, именно поэтому тогда лед и не был обнаружен.
   
Как тогда вообще объясняли наличие льда в приполярных районах? На ранней стадии развития Луны  она подвергалась интенсивной бомбардировке астероидами и кометами. В результате падения крупных комет на короткое время по астрономическим меркам – на годы или даже десятки лет – возникала разреженная лунная атмосфера, которая испарялась, уходила в космическое пространство и выпадала на поверхность Луны.

Те частицы атмосферы, которые выпали в экваториальной зоне и средних широтах испытывали переходы от абсолютного нуля ночи к сотням градусам дня, микрометеоритную бомбардировку, солнечное и галактическое излучение – и в результате тоже испарились в космос.
Те же, которые выпали в полярные кратеры, должны сохраниться.

Но есть еще одно место, где частицы атмосферы могли бы сохраниться – в пещерах!
Причем лучше, чем в полярных кратерах, так как галактическое излучение внутрь не доходит.
Так что, возможно, в нижних отделах пещерных систем, расположенных в экваториальной зоне или средних широтах, есть залежи льда.
Lunar Prospector не мог их обнаружить, так как его приборы собирали данные с площадей, компактные залежи они не могли заметить.

Но даже если в пещерах нет льда, лунную базу стоило бы создавать именно в пещере!

Если бы удалось обнаружить пещерную  систему или просто пещеру объемом в несколько сот кубометров, установить  перемычки-щлюзы, разместить внутри небольшой реактор (такие уже есть) и для начала простейшую установку для выделения кислорода из породы ...

Но, кажется, пещеры и вообще неглубокие внутренности Луны – до нескольких десятков метров – не вызывают интерес. А как их можно изучать?

Наверное, нужен специальный радар на спутнике Луны типа радара (Marsis?) на Mars Express, разработанный для "пробивания" породы на глубину до нескольких десятков метров. Нужны приборы для обнаружения компактных залежей льда. Нужны луноходы.
Пара луноходов могла бы исследовать начало пещеры, один встал бы у входа и был бы ретранслятором для второго, который вошел бы внутрь насколько это возможно.

Но по настоящему исследовать пещеру и установить ее пригодность для лунной базы смогут только космонавты.

[foogoo]

Исследование пещер даже на Земле очень опастное и трудное дело. На Луна это может быть совсем невозможно. Заехать туда на "тракторе" не получится. Космонавта пускать очень опастно. Шагающих роботов пока нет. В США есть прототипы скалолазных роботов, но пока это только эксперименты. Не забывайте, что радиосвязь под землей не работает.

[Димитър]

1. Шагающих роботов давно есть! Про Асимо забыли? :wink:
Хотя, думаю, и нешагающие подойдут.

2. радиосвязь под землей не работает? Значит робот будет таскать катушку с кабелем как солдат-связник.  

[avmich]

Исследование пещер даже на Земле очень опастное и трудное дело. На Луна это может быть совсем невозможно. Заехать туда на "тракторе" не получится. Космонавта пускать очень опастно. Шагающих роботов пока нет. В США есть прототипы скалолазных роботов, но пока это только эксперименты. Не забывайте, что радиосвязь под землей не работает.

"Т" в этом слове лишнее.

[нейромантик]

Пытался напечатать ответ раньше, но не мог - дёргали.
1. "Справочник гальваностега". Если я не ошибаюсь - таблица электроотрицательности.
2. Горячим водородом предлагалось восстанавливать именно окись титана, содержащуюся в очень большом количестве в реголите. Температура процесса свыше 1000 град. Цельсия.
3. Присутствие больших количеств титана, марганца и пр. испортит металл. В стали титан связан либо с примесями - азотом, кислородом и пр. здесь этого нет, он начнёт образовывать интерметаллиды и вообще хрензнает чего. Марганец поступит подобным образом. Это будет и не железо, и не титан, а хрень непонятная, с чёрт знает какими свойствами. Однозначно плохо кующаяся и негодная для литья. Зато перенасыщенная водородом.

Насчёт стали - Димитър, к сожалению нет. Это будет именно непонятная смесь, которую прийдётся как-то разделять. Образуются интерметаллидные и химические соединения, которые резко охрупчат отливку, а ликвация при литье будет ужасающей - скорость охлаждения отливок из-за отсутствия воды и возможности охлаждения застывающего металла конвекцией приведёт к ужасающей ликвации. Да и не уверен я, что традиционное литьё в лунных условиях вообще возможно.

Ну, если удасться как-то решить проблемы с прилипающими к соплу оксидами - то в принципе можно.

[L_Pt]

нейромантик
1.   Непонятно, причем тут гальваника к металлургическому производству? Наверное, вы перепутали возможность электроэкстракции металлов (вплоть до марганца) из водных растворов с восстанавливающей возможностью водорода. Надо полагать, таблица стандартных потенциалов.
2.   В этих условиях окись титана будет восстанавливаться до трехвалентного состояние Ti2O3. Но зачем? Закись железа восстанавливается гораздо легче (требуемая температура на 200 – 300 градусов меньше), да и в реголите ее побольше будет.
3.   Не будет там никаких примесей титана и марганца.   Такие металлы (а также  алюминий и магний) можно будет получить только электролизом или металлотермией.

[чайник17]

Пока тут химик есть - как вам забавная идея делать метилацетилен из одходов? За год человек нарабатывает (из съеденой пищи) на примерно 200 кг метилацетилена воды и углекислого газа, плюс целлюлоза (тряпки и бумажки), пластиковые упаковки и т.п. Кислорода не хватит, но можно из грунта добыть. Получится где-то 500+ кг топлива, досточно вывести тонну на орбиту - как раз хватит на одного человека.
Примерная схема: воду разлагаем электролизом, с углекислым газом водород даёт метан. Ацетилен, как обычно, получаем по схеме карбонат кальция + уголь -> карбид + вода -> ацетилен + известь; известь + углекислый газ -> снова карбонат. Кальций не расходуется, но в случае чего на луне он не дефицит. Уголь получаем пиролизом отходов и метана (производство "сажи газовой"). Дальше не знаю   , но наверное, можно как-нибудь из метана и ацетилена метилацетилен получить ? Конечно, такой химзавод практичен только на довольно большой станции.... То же и про Марс - уж если тащить туда водород, то лучше переводить его в метилацетилен - его почти в трое больше получится, да и УИ побольше...

[L_Pt]

чайник17
Метилацетилен (пропин) из ацетилена и метана получить проблематично.  
Наиболее практичный путь – гидролизом карбида магния, получаемого в свое время сплавлением магния с углеродом. Но получение металлического магния электролизом расплавов и элементарного углерода (сажи) пиролизом целлюлозы или метана выглядит очень громоздким и трудно воспроизводимым в лунных условиях, даже на большой базе.
Да и к чему нам метилацетилен? Топливо? Для топлива можно подобрать и не такие экзотические в-ва.

[mihalchuk]

ОАЯ:

Доставить с Земли материал для сварочных электродов

А зачем это делать и нужны ли на Луне электроды?

[mihalchuk]

чайник17:

То же и про Марс - уж если тащить туда водород, то лучше переводить его в метилацетилен - его почти в трое больше получится, да и УИ побольше...

Если тащить туда водород, то не лучше ли добывать его на месте? Смысл тащить водород на Марс есть, если сохранить его в жидком состоянии.  Идея  для тех мест, где избыток углерода при недостатке водорода, чего ни на Марсе, ни на Луне не наблюдается. Если метилацетилена будет почти в три раза больше, чем водорода, то кислорода будет раза в полтора (возможно - почти в 3) меньше на единицу массы горючего (соотношение компонентов будет явно не более 4,5 (возможно - до 2,5)). УИ будет реально меньше, чем у водородника, а температура в КС может быть значительно выше. Меньший УИ уже обесценивает идею. Но основная масса топлива - кислород. Если он привозной, то за счёт местного углерода получим прирост массы топлива около 5%, что при меньшем УИ не даст прироста ХС. Масса доставляемых компонентов уменьшится процентов на 15, но из них водорода - почти в 10 раз. Если он добывается из местного сырья, то масса доставляемых компонентов (только водород) уменьшится на два порядка.
Но где найти такое место? На Марсе есть всё - и углерод и водород, на Луне - ничего, раве что очень рассеянный водород. А если кислород местный и больше ничего нет, то водород предпочтительнее с точки зрения достижения максимальной ХС на единицу массы доставляемого компонента.

А как вам нравится ЖРД на такой реакции:

С3Н4(метилацетилен) + 4Н2 = 3СН4 + 8,52 МДж/кг

Нет окислителя - ничего не загорится. К сожалению, такая реакция в чистом виде не пойдёт, а то было бы красиво.

[чайник17]

2L_Pt :
Жалко что не получается.... я надеялся на что-то вроде каталитического окисления: CH4 + C2H2 + O -> H3CCCH + H2O
А выбрал я метилацетилен не случайно - многие считают его лучшим углеводородным топливом - высокий удельный импульс/скорость истечения за счёт тройной связи, высокая плотность и температура кипения. К недостаткам относится сложность получения/цена   , высокая температура в камере сгорания.
В данном случае ещё одно достоинство - низкое соотношение H:C - 4:3.
В пище и отходах отношение H:C порядка 2, поэтому с метаном будет сильный недостаток водорода.
А насчёт пропина - точно это другое название метилацетилена? Я думал это изомер - одно H3C-C*CH? а другое CH2=C=CH2 (* призвана изображать тройную связь)

[чайник17]

2 mihalchuk
Вы конечно правы, что в свете открыния многометровых слоёв льда на полюсах идея везти на Марс водород выглядит устарелой. Но если почему-то очень надо сесть вблизи экватора, то запасов водорода там не обнаружено, хотя и нельзя исключить воду или лёд на значительной глубине. В атмосфере воды настолько мало, что извлекать её абсолютно невыгодно, а тракторные поезда с полюсов обсуждать вообще смешно.
В этом предположении, привозить только жидкий водород и получать топливо и кислород из атмосферного CO2 несомненно выгодно (при значительных объёмах).  Причем метилацетилен несомненно выгоднее метана при больших объёмах и хороших технологиях.
Но вообще-то я в основном писал про Луну и использование отходов. А углерод на Луне есть, падают же туда углистые хондриты - основной класс метеоритов.

[mihalchuk]

Углистые хондриты - не основной класс метеоритов, их в массе метеоритов единицы процентов. Но их следов в лунном грунте не обнаружено (как и вообще метеоритное вещество). Возможно, скорость таких метеоритов достаточно велика, из-за чего углерод окисляется, восстанавливая некоторые металлы, например, железо. Пока мы знаем, что водорода на Луне больше - на 1 кг водорода в реголите приходится 1 кг смеси СО, СО2 и СН4.

А вообще интересен трёхкомпонентный ЖРД на компонентах кислород-водород-метилацетилен. Отдельно от проблемы утилизации отходов.

[нейромантик]

Должен заметить - я действительно ошибался. Предпологалось восстановление только железа. Титан - нет.
 

К стати, выделить железо из полученной фигни в Лунных условиях будет невозможно - окислы сильно перемешаны, а при содержании железа даже 50% - всё будет крайне замусорено, и при плавлении зёрна оксидов просто спекуться с восстановленным железом.
Гравитация мала, и "стечь" железо не сможет.

[mihalchuk]

чайник17:

А насчёт пропина - точно это другое название метилацетилена? Я думал это изомер - одно H3C-C*CH? а другое CH2=C=CH2 (* призвана изображать тройную связь)

Точно. CH2=C=CH2 - это пропадиен (аллен).

[L_Pt]

Если в качестве шихты загружать не чистый ильменит, а его смесь с силикатами реголита (что наверняка и будет, ибо чистый ильменит выделить достаточно проблематично), то в шлак будет представлять собой полурасплавленную массу. Жидкость на жидкости – почему не стечет?

Сидел рассматривал разные варианты использование электролиза из водных растворов. Вроде для малотоннажного производства железа оборудование должно быть легче. Хотя и не без недостатков. В целом схема следующая:

1.   Выщелачивание из шихты в автоклаве закисного железа раствором соляной кислоты HCl.  Кроме желза в раствор также будут переходить ионы марганца и никеля, магния, кальция, натрия и калия. Особенно вредны будут магний и кальций из-за их большого содержания в реголите. Для более менее сносной работы вот тут действительно будет очень полезный чистый (хотя бы относительно) ильменит.
Концентрация хлорида железа доводят до 400-500 г/л.
2.   Электролиз. Катоды из тонких пластинок железа, аноды из титана, покрытого платиной или оксидами рутения (привозимые  с Земли). Температура процесса 40-90 С. На катоде выделяется металлическое железо (с небольшой примесью никеля) и с некоторым выходом 5-20% выделяется водород, к-рые бы следовало улавливать. На аноде смесь кислорода с хлором, процентное соотношение довольно легко регулируется плотностью тока, в обычном режиме (при небольшой плотности тока) будет идти почти чистый кислород.
При выработки электролита до 200-300 г/л хлористого железа  и понижения pH до 0.3 раствор возвращается в автоклав для выщелачивания новой порции железа. Наверное, имеет смысл вести электролиз при непрерывном токе электролита.
3.   Электролит во время работы будет накоплять хлориды щелочных и щелочноземельных металлов. Для регенерации хлора необходимо осадить магний и кальций щелочью, а образующийся щелок опять подать в электролизер (временно освобожденный от электролита железнения или в другой, поменьше) и проводить электролиз в режиме выделения хлора (т.е. при большой плотности тока). Полученную щелочь – в начало этой стадии.
4.   По окончании сессии (надо полагать, что основу электроэнергетики базы будут составлять солнечные батареи, т.е. большие токи можно обеспечить только 14 дней в лунные сутки) извлекаются катоды, обросшие железом, и готовятся на переплавку. Часть железа, в виде тонких пластин на следующий «день» возвращается в электролизер в виде катода.
5.   Выделившийся хлор растворяют в воде, где он медленно окисляет кислород с образованием соляной кислоты – последнюю возвращаем назад в электролит.

Напряжение в электролизе – 3,2 - 3,4 В.
Оценка затрат электроэнергии на электролиз – 3,4-3,6 кВт*ч/кг железа, т.е. 1 кв.м неподвижных солнечных батарей (12%), установленных на лунном экваторе могут дать  электроэнергию для получения около 10 кг железа за лунные сутки.

PS Извините что много букв, если кого-то заинтересует можно добавить подробностей

[mihalchuk]

Есть ещё один способ получения железа, малоэффективный на Земле, но на Луне - кто знает...
Примерно так:
1. Попробовать отсепарировать магнитом из реголита частицы, содержащие неокисленное железо. Такие частицы есть, и, возможно, проще объехать с сепаратором большую территорию (тьфу, язык не поворачивается сказать "селенитория"), чем долбить и дробить породу.
2. Если сырья из 1. не хватит, то восстанавливать измельчённую породу водородом в кипящем слое, так, чтобы не получилось общего расплава, а сохранилась мелкочастичная структура хотя бы в конгломерате.
3. Полученное сырьё карбонилируем при температуре 180-200 С и высоком давлении:
Fe + 5CO = Fe(CO)5
4. Карбонил железа откачиваем.
5. Нагреванием выше 200 С разлагаем карбонил на железо и СО.
Получаем железо высокой чистоты с небольшой примесью никеля и, возможно, малой - хрома.
Недостатки способа - необходимо высокое давление и под вопросом скорость протекания реакции и вообще длительность цикла технологического процесса.
Плюсы:
1) высокое качество металла;
2) не требуется электричество.
Плюс относительно Земли - легко охладить СО до жидкого состояния, а значит и создать высокое давление.

[au]

Восстановительные реакции в водородной плазме идут при значительно меньших температурах. Ничего не нужно плавить, реактор простой, на выходе вода с примесями ковалентных гидридов.

[mihalchuk]

А какие температура и давление в водородной плазме?

[au]

Ну это по-разному конечно. В целом давление низкое (<<1атм), температуры -- сотни градусов. Весь фокус в том что температуры электронов там -- тысячи градусов, а ионов -- сотни. Лучше всего посмотреть на примерах -- их много для разных процессов и реакций.