Луна. Ищем место.

[RadioactiveRainbow]

Хм.
Ну, сейчас начнётся мясо: "Трахтор vs станок для набивки мешков"  :lol:
А грунт к аппарату сам ползти будет? Или снова астронавты? Или механизм будет с автоматической черпалкой? А сколько он тогда будет весить? А смежные функции он выполняет?
Имхо, всё таки не так всё однозначно.

[foogoo]

Я ж там написал, что мехенизм этот легко вешается на трактор.

Кстати, Бобкат очень интересная фирма в плане умения делать навесное оборудование для универсальногог трактора.
http://www.bobcat.com/markets/landscaping/attachments/index.html

[L_Pt]

нейромантик

Наверное, придется применять очень активное охлаждение стекол с большими батареями радиаторов и тому подобное...

Всё остальное ещё хуже - радиаторы будут просто громадными (температуры газа ещё выше - используем ведь водород) , и не факт, что аппаратура окжется долговечной ну или хотя бы воспроизводимой в Лунных условиях.

Ну почему же, как раз при обдувке реголита водородом реакция
FeO + H2 = Fe + H2O
Будет заметно протекать уже при 600 С, при 800 С равновесие уже смещено вправо. Скорость восстановления при этих температурах уже очень высокая. Нагреть водород до 800-900 С не в пример легче – водород не коррозирует металлы. И последующий электролиз образовавшийся воды осуществить не в пример легче, чем расплавы хлоридов металлов – обычные очень долговечные и достаточно экономичные щелочные электролизеры, работающий при 80-90 С.
Кроме того, в отличии от хлора, водород в небольших кол-вах можно получать и непосредственно на Луне. Я не совсем представляю, каков должен быть уровень технологии, герметичности трубопроводов и их стыков, чтобы обеспечить добычу водорода для ракетного топлива и, тем более, добычи гелия-3, но этих кол-в получаемого водорода вполне может хватить для погашения большей части утечек при производстве кислорода для экипажа и металлического железа для металлоконструкций разворачиваемой лунной базы, а то и их полностью покрыть.
Если приведенные Fakir-ом оценки газосодержания верны, то для этого понадобится обеспечить потери водорода меньше 1,5% за цикл, что вполне реально.

[нейромантик]

Ну почему же, как раз при обдувке реголита водородом реакция
FeO + H2 = Fe + H2O

Не так радужно. Почему на Земле используют хлор а не водород?
1. Температуры начала процесса ниже.
2. Сухой хлор даже горячий меньше реагирует с металлом (железом в частности).
Водород в больших количествах и при больших температурах значит начало водородного охрупчивания большинства металлов. Железо и его сплавы - однозначно.
При 600 градусов реакция с хлором будет идти более чем заметно, ильменит хлорируют именно при этой температуре.

К стати, что прикажете делать с полученной в водородном конвертере восстановленной массой? Выбрасывать, сначала переплавив для удаления остатков водорода? Использовать её в необогощённом виде просто нельзя - физические свойства её (прочность и пр.) будут нестабильны.

[L_Pt]

нейромантик

Почему на Земле используют хлор а не водород?

На Земле подобный процесс ведут в домнах,  самый обычный металлургический процесс, используя в качестве восстановителя CO с примесью H2.
Ильменит же на Земле хлорируют для получения хлорида титана – полуфабрикат для получения металлического титана. Это не в пример более сложный процесс, чем восстановление железа.

Сухой хлор даже горячий меньше реагирует с металлом (железом в частности).

Так, смотрим – железо взаимодействует с хлором при 400-500 С. Т.е. гораздо активнее чем тот же ильменит. Или у вас другие сведения насчет процесса хлорирования в горячем хлоре? Не подскажите где этот процесс подробно рассматривается?

Водород в больших количествах и при больших температурах значит начало водородного охрупчивания большинства металлов. Железо и его сплавы - однозначно.

Да, такая проблема имеет место быть. Хотя не скажу, чтобы все так страшно – большие температуры ускоряют внедрение водорода, но уменьшают его растворимость в железе и слишком сильного охрупчивания нет. Часто даже встречается термин – осталивание, т.к. при небольших кол-вах растворенного водорода он ведет себя почти также как и цементит.
Другое неприятное место этого явления – водород все время будет просачиваться «сквозь» железные трубы, даже правильнее сказать – сквозь кристаллическую решетку железа, так что герметичность тут абсолютно не причем. Но у нас есть небольшой запас прочности по потерям, может хватить.

что прикажете делать с полученной в водородном конвертере восстановленной массой?

На проплавку в индукционную печь. А как же иначе – нам во всяком случаи понадобиться отделить железо от силикатного и прочего баласта, и потом формировать гарячекатанные прокаты.
Большая часть внедренного водорода (а при желании - то и весь) при высоких температурах в вакууме очень быстро покидает металл.

[нейромантик]

Я посмотрю хмическую стойкость металлов к хлору при больших температурах, но ИМХО - это можно обойти.

На Земле подобный процесс ведут в домнах, самый обычный металлургический процесс, используя в качестве восстановителя CO с примесью H2.

По тому, что на Земле есть возможность сепарации и обогощения руд, навалом восстановителя из каменного угля, и абсолютно дармовой окислитель - воздух.
Ко всему, что-то мне подсказывает, что в домнах предпочитают плавить вовсе не ильменит, а скорее магнетит и бурый железняк. Меньше возни с титаном.

Ильменит же на Земле хлорируют для получения хлорида титана – полуфабрикат для получения металлического титана. Это не в пример более сложный процесс, чем восстановление железа.

По размерам и весу оборудования - он гораздо меньше. Просто сравните домну или конвертер с тиглем для хлорирования.

На проплавку в индукционную печь.

И на выходе мы получаем чушку непонятного состава. Объясню в чём дело. Порода у нас сложного состава - Окислы титана, окислы железа, окислы магния и окислы кальция. Плюс окислы кремния. Почти всё это водород восстановит. И эти металлы и не металлы (кремний к примеру) тут же растворяться друг в друге, образуя истинные растворы, эвтектики и химические соединения. Отделить их друг от друга отстаиванием - не получится, химически - более чем сложно, можно только зонной плавкой. А это значит - ещё оборудование, ещё нагрев, ещё потеря энергии и времени. К стати, кое-что  не прореагирует (окись алюминия) основательно засорив собой чушку.
В результате металл у нас на выходе будет дороже золота.

потом формировать гарячекатанные прокаты

Прокат делают на прокатном стане. Это огромный, сложный и дорогой механизм. Ко всему - очень тяжёлый.
Только тянутые из расплава изделия могут быть выпущены на Луне в нынешних условиях. Даже литьё боюсь практически невозможно.

[L_Pt]

нейромантик
В домнах не плавят ильменит, ибо это довольно дорогой и редкий минерал. Но сказать что он чем-то качественно хуже обычных земных железняков нельзя. В лунных базальтах FeO около 20% массовых. Я так понимаю при магнитной сепарации достаточно легко этот показатель увеличить до 40-50% (кремнезем и глинозем магнитными свойствами не обладают). Обогатительная установка – это вращающийся магнит, на который насыпаю мелкораздробленный реголит. Частички обладающие магнитными свойствами, т.е. содержащие повышенное кол-во FeO и FeTiO3 будут чуть прилипать и падать не сразу, а на полуобороте.
Т.е., как я понимаю, тут можно будет обрабатыватьобычный реголит, желательно базальтового происхождения (с территории лунных морей), чистый ильменит интересен только тем, что в нем содержание FeO сразу, без обогащения, более 50%.
И не сравнивайте промышленные реакторы хлорирования и домны – не те масштабы. Сравнивайте с вагранками и индукционными печами – они по массе гораздо меньше и конструктивно проще, так как не надо работать с такими агрессивными в-вами, как хлор. То же самое относится и к прокату – это когда приходится иметь дело с миллионами тонн в год строят огромные валки. В нашем случаи, при объемах измеряемых до пару сотен тонн в год, можно остановиться на пару молотах. Впрочем, этой стадии все равно не избежать, каким бы образом мы не получали металл.

И на выходе мы получаем чушку непонятного состава. Объясню в чём дело. Порода у нас сложного состава - Окислы титана, окислы железа, окислы магния и окислы кальция. Плюс окислы кремния. Почти всё это водород восстановит.

Вовсе нет, водород не такой уже и сильный восстановитель. Он сможет восстановить только железо. Ну еще и никель – образуется сплав с содержанием последнего до 0,2%. Скажем так – это совсем не вредная примесь.

Если мы будем проплавлять металл в вагранке (это можно сделать заменив на конечной стадии водородное дутье кислородным) то получим хорошо разделенный расплав из никелистого железа (внизу) и смеси окислов кремния, алюминия, кальция, магния, титана и не прореагировавшего железа (вверху).

[Димитър]

В результате металл у нас на выходе будет дороже золота.

А доставлять с Земли будет дешевле?  :wink:

[нейромантик]

Да, действительно реакция с хлором идёт только в присутствии углерода, в частности - кокса.
 
Теоретически, реакцию можно подогреть подсветкой ультрафиолетом, но боюсь хлор для начала разъест прозрачный реактор.
К стати, а поверхностно активировать грунт никак нельзя? В хлористом углероде вымачить например?

В целом - задача на современном этапе не решаемая. Слишком мало грунта.
Значит, Лунной металлургии надо будет идти проторенным ещё на Земле путём - поиск и переплавка железо-никелевых метеоритов, благо такого добра нападать должно было очень много.

Ваша идея с вагранкой хорошая, но не работоспособная - слишком велик расход газов, и слишком долго всё будет отстаиваться, гравитация слаба. Реальнее будет нагревать вещество до диссоциации и конденсировать отдельно - металл, отдельно - газы.

К стати, хлор в транспортировке выгоднее водорода. При н.у. он может ожижаться за счёт повышения давления или снижения температуры (кажется при -30). Сухой хлор малоагрессивен.

[нейромантик]

А доставлять с Земли будет дешевле?

Вплоть до производства примерно 1 тонна металла в день, возить металл с Земли будет выгоднее.
Оценка ориентировочная.

[Андрей Суворов]

А доставлять с Земли будет дешевле?

Вплоть до производства примерно 1 тонна металла в день, возить металл с Земли будет выгоднее.
Оценка ориентировочная.

Тонна металла в день на Луну - это пятьдесят миллионов долларов в день. Или полтора миллиарда в месяц. Или девять миллиардов за полгода. Вы уверены, что вы правильно оценили?

[нейромантик]

Нет, Вы меня неправильно поняли.
Металлургический завод (по переработке реголита) с производством не менее 1 тонны металла в день. Плюс сепарация и накопление всех сопутствующих - гелия, водорода, кислорода.
И при условии что металл будет не складироваться, а "идти в дело".
Только это сделает переспективу переброски металлургического комбината интересной.
Т.е. - есть "заказы" на конструкции, бросаем туда оборудование и разворачиваемся.

В противном случае скорее есть смысл возить всё с Земли.

[L_Pt]

нейромантик

Вплоть до производства примерно 1 тонна металла в день, возить металл с Земли будет выгоднее.
Оценка ориентировочная.

Для начало, скорее всего, будет более актуальным строительство установки по получения кислорода. Она может стать актуальной уже при экипаже станции в 6-10 человек, т.е. потреблении кислорода на уровне нескольких тонн в год. В конце концов, ничего особо сложного – пустотелый реактор из тугоплавкого материала, радиаторы/конденсаторы, представляющие собой алюминиевые трубки-змеевики, торчащие прямо в вакууме, трубопроводы их соединяющие, насосы, электролизеры и источник электричества. «Окупит» свою массу не более чем за год-второй.
В дальнейшем, при росте энерговооруженности базы, можно поставить вопрос о получения кислорода для заправки ракет (восстановитель, скорее всего водород, все придется завозить).
Получение металлоконструкций из получаемого как побочный продукт губчатого железа (переплавкой) – это уже следующий этап.

Ваша идея с вагранкой хорошая, но не работоспособная - слишком велик расход газов, и слишком долго всё будет отстаиваться, гравитация слаба.

Я не собираюсь с жаром отстаивать «свою» идею (куда бы вы не плюнули – туда уже несколько раз кто-то плюнул до вас – такое простое решение наверняка предлагалось и ранее), но мне все же непонятны ваши возражения. На что будет велик расход газов? Главная дефицит – только водород, но при должном уровне герметичности стыков его потери не будут огромными.  Плотность железа 7,8 г/см^3, силикатов на уровне 2,5 г/см^3 – даже при силе тяжести 1,6 м/с^2, если довести до плавления, они отстоятся очень быстро, гораздо быстрее чем будет идти восстановление.
Кстати, расплавленная масса силикатов – отличный материал для строительного стекла.

К стати, хлор в транспортировке выгоднее водорода. При н.у. он может ожижаться за счёт повышения давления или снижения температуры (кажется при -30).

Если это будет такая большая проблема с жидким водородом, то его можно перевозить в виде аммиака, к-рый сжижается еще лучше хлора – все равно моль водорода тут будет в 6 раз выгоднее по массе чем хлор.

[Димитър]

И на выходе мы получаем чушку непонятного состава. Объясню в чём дело. Порода у нас сложного состава - Окислы титана, окислы железа, окислы магния и окислы кальция. Плюс окислы кремния. всё это водород восстановит.

Вовсе нет, водород не такой уже и сильный восстановитель. Он сможет восстановить только железо. Ну еще и никель – образуется сплав с содержанием последнего до 0,2%. Скажем так – это совсем не вредная примесь.
Если мы будем проплавлять металл в вагранке (это можно сделать заменив на конечной стадии водородное дутье кислородным) то получим хорошо разделенный расплав из никелистого железа (внизу) и смеси окислов кремния, алюминия, кальция, магния, титана и не прореагировавшего железа (вверху).

Кстати, кроме всего прочего -  алюминия, кальция, магния и другие можно использовать как горючее в ракетных двигателях. (Сгорая в кослороде - УИ до 300 сек.) Об это уже писали даже на нашем форуме. Скорее всего "чушка непонятного состава" тоже подойдет! Так что - тоже полезный продукт!

[нейромантик]

Я посмотрел кое-какую литературу, и пришёл к следующему выводу:
1. Чушка получится крайне оригинального состава - титан в перемешку с железом, никелем, марганцем и даже магнием.
Простой переплавкой разделить их не удасться. И всё это восстановит именно наш водород. К стати, он же образует гидриды и просто частично растворится в ней.
2. Прочность и пластичность этого "чуда-юда" будет плохой. Т.е. в виде полуфабриката от него толку не будет, прийдётся металлы как-то разделять.

[L_Pt]

нейромантик

Я посмотрел кое-какую литературу, и пришёл к следующему выводу:
1. Чушка получится крайне оригинального состава - титан в перемешку с железом, никелем, марганцем и даже магнием.

Можно поинтересоваться, что эта за литература? Просто мне, как профессиональному химику, очень стирано слышать, что водород в не слишком экстремальных условиях в состоянии восстановить окислы титана, марганца и, в особенности, магния.
Кстати, присутствие титана и марганца в стали в кол-вах до нескольких % тоже не уменьшает механические свойства. Марганец всегда добавляют в доменном производстве (раскисляющий элемент), титан частая спецдобавка. Однако при восстановлении водородом их все равно не будет.

[Димитър]

1. Чушка получится крайне оригинального состава - титан в перемешку с железом, никелем, марганцем и даже магнием.
2. Прочность и пластичность этого "чуда-юда" будет плохой.

1. Знаете как называют металурги такую смесь - ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ!
А титан, никель, марганец и магний считаются полезными добавками в стали. Ну, их соотношение имеет значение, но можно поискать на Луне грунта с подходящим составом.

2. И почему?

3. А как насчет ракетного горючего? Даже пыль из железа горит хорошо, про магния, думаю, всем ясно.

[Олигарх]

1. Чушка получится крайне оригинального состава - титан в перемешку с железом, никелем, марганцем и даже магнием.
2. Прочность и пластичность этого "чуда-юда" будет плохой.

1. Знаете как называют металурги такую смесь - ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ!
А титан, никель, марганец и магний считаются полезными добавками в стали. Ну, их соотношение имеет значение, но можно поискать на Луне грунта с подходящим составом.

2. И почему?

3. А как насчет ракетного горючего? Даже пыль из железа горит хорошо, про магния, думаю, всем ясно.

 Очень интересная статья:

The Space Review: The problems with lunar ISRU (page 1)        
       by Donald Rapp
      Tuesday, September 5, 2006
     
!!     If a committee is allowed to discuss a bad idea long enough, it will
        eventually adopt it because of all the work they put into it.
        - K. Kruickshank
   
      In situ resource utilization (ISRU) is a concept for increasing the
      efficiency of space missions by utilizing indigenous resources on a planet
      or moon in order to reduce the amount of material that must be brought
      from Earth.
      If the savings resulting from reduction of resources brought
      from Earth outweigh the cost of prospecting, developing, testing,
      validating in situ, and implementing ISRU in missions, it follows that
      ISRU will have a favorable benefit/cost ratio.
     
      While many ISRU advocates within NASA seem to take it on faith that
      the benefit/cost ratio is always
      favorable for ISRU, my analysis indicates that this is not always so.
     
      Whereas a stronger case can be made for use of ISRU on human missions to
      Mars, the case for lunar ISRU in the current ESAS architecture does not
      stand up to scrutiny.
     
      Nevertheless, the belief in the virtues of ISRU has been proclaimed so
      many times by NASA that, in an Orwellian sense, it is widely accepted.
     
      The recent NASA exploration architecture analysis for lunar exploration
      (popularly known as the "ESAS Report") mentions the term "ISRU" 110 times.
      The ESAS Report repeats the standard mantra: "ISRU: Technologies for
      'living off the land' are needed to support a long-term strategy for human
      exploration." (p. 89)
      However, NASA's approach to lunar mission analysis and its connection to
      ISRU is often disjointed. For example, the ESAS Report says:
     
      "The lander's ascent stage uses LOX/methane propulsion to
      carry the crew back into lunar orbit to rendezvous with the waiting CEV.
      The lander's propulsion system is chosen to make it compatible with
      ISRU-produced propellants and common with the CEV SM propulsion system."
      (p.27) However a later modification of the architecture eliminated use of
      oxygen propellants for ascent, making the architecture incompatible with
      ISRU. If NASA does not develop an oxygen-based ascent propulsion system
      then lunar ISRU would be moot.
 
      A NASA report says:
        "Numerous studies have shown that producing propellants in-situ can
        significantly reduce mission mass and cost, and also enable new mission
        capabilities, such as permanent manned presence and surface hoppers."
 
      Unfortunately, no references are given to the "numerous studies" and
      "great benefits" referred to in these quotations. My own studies lead to
      diametrically opposite conclusions.
 
    Potential products of ISRU

      Most discussions of lunar ISRU seem to assume that resources are readily
      available, and they proceed to emphasize processing, while minimizing
      logistics (excavating, regolith transport, deposition and removal of
      regolith from reactor, dumping waste regolith, etc.
      However, the quantity
      and composition of end products provides the entire basis for considering
      the use of ISRU, and for setting the requirements for ISRU systems.
     
      Therefore, we begin here with the potential end products.
         
      In the initial NASA ESAS architecture, the propulsion system for ascent
      from the Moon was based on methane (CH4) and oxygen (O2) propellants in
      order that ISRU-generated oxygen from the Moon could be used.
      Although methane had to be brought from Earth, it provided an implicit connection
      to Mars ISRU.
      Later, when the realities of cost and schedule to develop
      CH4 + O2 propellants became clearer, this ascent propulsion system was
      dropped in favor of space-storable propellants that are incompatible with
      lunar ISRU. In the original architecture, the plan was to have two ascents
      per year from the outpost, each requiring about 4 metric tons (MT) of
      oxygen, for an annual need of roughly 8 MT.

Полный текст: http://www.thespacereview.com/article/697/1

[ОАЯ]

С чего начать осваивать Луну. Первые экспедиции должны не изучать, а готовить базу для безопасного, интенсивного, автономного освоения. Самоцелью должно стать проживание 10 исследователей неограниченно долго без помощи с Земли (или с грузооборотом в 10 т в год с Землей). Как-то незаметно все участники форума пришли к правильному выводу, что необходимо ископаемое добыть, расплавить, сформовать. Предлагаю подсчитать объемы металлообработки и трудозатрат на необходимые на первых порах вещи: герметичный ангар для теплиц и плавильного цеха №2, резервный герметичный ангар, перспективное строительство третьей герметичной конструкции (для воды, газов, хим.веществ, лабораторий, космической верфи...). Подсчет начнем с простейшего ангара 10мХ10мХ100м. Считать будем естественно приблизительно. 5 месяцев. (150 дней) пребывание на Луне. При толщине стенок 0,05м (при кустарном производстве тоньше делать стенки протяженных конструкций нельзя) объем выплавленной «стали» 210 куб.м. Соответственно 1680 тонн. В день 1,4 куб.м «стали» или около 12 тонн. Рабочий цикл состоит из сбора (добычи) руды 12 тонн в день, плавки 12 тонн в день, формовки 12 тонн в день, транспортирования к стройке 12 тонн в день, крепление на конструкции панели всех 12 тонн в день. Если:
1. Взрывать породу с защищенной стороны гор.
2. Доставлять канатной дорогой руду к плавильной печи.
3. Объем печи будет не менее 0,3 куб.м (0,8Х0,8Х0,8 м) и цикл не более 2 часов.
4. Параллельно выплавлять сварочные электроды 0,3 м 220 штук в день (длина сварного шва в день).
5. Формовать плиты 1мХ2мХ0,05м по 14 плит в день.
6. Успевать установить и сварить за день 14 плит.
7. Доставить с Земли материал для сварочных электродов.
Для всего этого потребуется 4 или 6 человек. Грустная картина. Следовательно, на первых порах объемные готовые конструкции необходимо доставлять с Земли. Но первым механизмом внутри доставленного ангара должен стать плавильный агрегат с объемом печи не менее куб. м. Иначе его работа растянет строительство базы на века. Без протяженных конструкций жизнь в базе Луны станет небезопасной – нужен резервный ангар, ангар оранжерея, ангар медицинский, ангар производственный и много, много механизмов и инструментов для добычи, переработки, обработки, ремонта, изготовления, испытания...
Зато при создании базы можно продавать материалы, монтировать межпланетные станции, "грозить от селе шведу", снабжать МКСы.

[Дмитрий Виницкий]

Чушь. :evil: