Per aspera ad astra

После того как выбранный вами небольшой астероид или предварительно отделенный, посредством направленного взрыва или нескольких специальных зондов, фрагмент ( кусок ) слишком большого чтобы быть использованным за один раз астероида будет накрыт гибким чехлом. Посредством находящихся с боковых сторон космического аппарата нескольких ( как правило четырёх, но в некоторых случаях двух или восьми ) пароболических зеркал, концентрирующих далёкий и слабый солнечный свет в одну или несколько небольших точек, начнётся постепенное испарение астероида. В зависимости от интенсивности испускаемого звездой излучения, разделяющего её от разрабатываемого астероиды расстояния и размеров концентрирующих свет зеркал, через несколько часов или дней покрывающие астероид слои химически связаных в минералах летучих веществ ( гидраты ) испарятся и будут передаваться через множество маленьких внутренних отверстий по сети, находящихся внутри чехла трубочек в основную часть аппарата в специальный резервуар. В то время как находящаяся под ними руда ( собственно говоря сам материал астероида ) будет порезан сконцентрированным лучом ( лазером ) на множество небольших отдельных кусочков и посредством поршня помещён в реакционную камеру, где находящийся в большом изобилии в каменных астероидах гравий будет нагрет до 500 градусов Цельсия, а оставшиеся в нём гидраты выделят в основном представляющие из себя водяной пар, аммиак, окись углерода, азот, метан, цианистый водород и сероводород, летучие вещества. Далее для того чтобы сконденсировать эти летучие вещества в жидкость и вывести их из реакционной камеры, последняя начинает вращаться с большой скоростью подобно барабану стиральной машины. В последствии эта смесь из сжиженных газов поступает в специальный резервуар для последующей очистки, где перекись водорода и перманганат калия будут использоваться для окисления не содержащих воду химических веществ, оставляя в итоге только чистую воду, которую при расщеплении посредством электролиза на водород и кислород можно использовать в качестве топлива для относительно примитивных, но достаточно мощных и полезных при небольших перелётах от одного астероида к другому химических двигателей ( реагенты перекись водорода и перманганат калия могут быть синтезированы из находящихся в астероидах большом изобилии химических элементов ). К этому этапу все летучие вещества в водном льде и гидратах будут извлечены, поэтому оставшаяся в реакционной камере порода после этого должна будет подвергнуться «обогащению», что означает концентрацию ценного материала путём выброса уже отработанного и бесполезного, что также позволяет извлечь более устойчивые и ценные летучие вещества. Первый шаг заключается в создании в реакционной камере с помощью чистого водорода определённого парциального давления и увеличение окружающей температуры до 800 ° C, посредством печи. За счёт этого из породы начнут выделяться стойкие летучие вещества, такие как водород, диоксид углерода, сера, азот, углеводороды, хлор, серная и соляная кислота, а также различные аминокислоты, которые также как в прошлом случае должны быть извлечены из камеры и храниться в отдельном резервуаре для последующей фильтрации. К этому моменту изначальная масса всей руды должна будет уменьшиться примерно в два раза, оставив только нелетучий остаток около трети из которого должна будет представлять из себя ценный сплав железа, никеля и кобальта, который должен быть очищен кислотным выщелачиванием, при котором удаляется все, кроме этого сплава и силикатов. В камеру впрыскивается кислота, вызывающая бешеную химическую реакцию. После этого камера снова начинает вращаться, чтобы удалить кислоту и оставшиеся примеси: фосфор, натрий, калий, кальций и магний, которые, являясь достаточно полезными элементами, должны быть собраны для дальнейшего использования ( кислоты, используемые при выщелачивании, могут быть синтезированы из элементов, полученных ранее в процессе, так что это является устойчивым процессом ). Оставшееся является железо-никель-кобальтовым сплавом, а также разнообразием различных силикатов, которые должны будут очищены от нежелательных при дальнейшем использовании примесей путём последовательной газификации. Вначале внутреннее пространство реакционной камеры разогревается до 100 ° С, а при введение окиси углерод парциальное давление внутри камеры увеличивается до двух атмосфер. Сначала никель вступает в реакцию, соединяясь с четырьмя молекулами окиси углерода с образованием газообразного тетракарбонила никеля ( очень токсичного для человека), который потом удаляют при вращение реакционной камеры и хранят в отдельнои резервуаре; оставляя железо, кобальт и силикаты. Далее давление снова повышается и железо вступает в реакцию с пятью молекулами окиси углерода, превращаясь в газообразный пентакарбонил железа ( являющийся довольно токсичным для человеческого организма ). Его тоже выкручивают из камеры и хранят; оставляя кобальт и силикаты. Наконец, температура внутри камеры повышается до 200 °C, а давление - до 10 атмосфер. Теперь кобальт соединяется с восемью молекулами окиси углерода с образованием октакарбонильного газа дикобальта ( также очень токсичного для человека ), который вновь удаляют ( выводят ) из реакционной камеры при её вращение и хранят до дальнейшего использования. При комнатной температуре и привычном для человека давлении в одну атмосферу накопленные карбонилы никеля и железа конденсируются в жидкости, что упрощает обращение с ними ( во всяком случае, легче, чем с раскаленным газом ). Сохраненный карбонил кобальта становится порошком, но может быть снова превращен в газ, при нагреве последних до 52 °C. Из оставшихся более менее ценных для нас ресурсов, остаётся силикатный осадок ( в основном песок ). В настоящее время он не будет ни для чего использоваться, однако при дальнейшем увеличении промышленной мощности и улучшения производственных процессов из него можно будет синтезировать кремний или стекло, а ещё позже экономично извлекать из селикатов небольшое количество металлов платиновой группы. При альтернативном процессе обработки ресурсов, имельченная руда вначале нагревается для извлечения из неё летучих веществ с использованием температурных ступеней для выделения определенных флюидов, которые в последствии отводятся на обработку охлаждением. Полученная вода либо замораживается для хранения, либо подвергается электролизу для дальнейшего использования. Для этого нужен достаточно простой солнечный отражатель, вакуумный насос и специальный механизм загрузки с приличным уплотнением, представляющего из себя цилиндр с дверцами на обоих концах и внутренним шнеком; партию водного льда можно подать через кофемолку, а затем подать шнеком через печь. Эта секция должна выдерживать температуру до 1000 °C с нормальной рабочей температурой в 600 °C ( что находится в пределах рабочего температурного диапазона нержавеющей стали и плавленого кварца ( кварцевого стекла )). Далее стабилизированная руда отделяется, а посредством магнитного поля извлекаются ферромагнитные частицы ( впрочем, некоторые частицы с очень высоким содержанием никеля могут быть пропущены ); отдельные минеральные зерна при этом должны быть отсортированы за счёт свойств электростатики или энергии фрагментации. Основная цель всего этого процесса состоит в том, чтобы откладывать каждый отдельный минирал или химический элемент по крайней мере с девяносто процентной концентрацией, чтобы их можно было удобно использовать в дальнейшем не прибегая к сложному процессу по обработке. Учитывая это для каждого типа минералов требуется определенный процесс очистки или насыщения, так никель и железо можно извлечь карбонильным способом при относительно разумных температурах и высокой чистоте очистки. Оксиды металлов при этом можно восстановить с помощью водорода. Оксиды, как правило, можно подвергать электролизу в твердой или жидкой форме. Есть и другие химические процессы, которые можно использовать, в частности, любой природный углерод может быть сожжен до CO2 для выделения тепла когда при том или ином производственном процессе будет необходима высокая температура, а затем восстановлен до C для его компактной транспортировки. В качестве альтернативы с низким энергопотреблением его можно сжимать и разливать в контейнеры как CO2, а промежуточным вариантом является образование твёрдого CO2. Поскольку каждый подход очистки будет отличаться от других, для выполнения соответствующих процедур нам потребуется пять специализированных модулей, где один модуль занимается очисткой воды, предполагая, что криогенная установка может достаточно хорошо изолировать оставшиеся газы. Примечательным является то, что одним из основных конечных продуктов этих манипуляций в конце концов будет являться - жидкий кислород, который может быть легко изолирован и храниться в виде сжатого газа или жидкостей. Как не трудно догадаться, требования к тому, как хранить полученные материалы зависят от самих материалов которые вы собрались хранить: так хондриты преимущественно состоят из кальций-алюминиевых вкраплений, свободных металлических конкреций, хондр и матрицы. Так CAI содержат оксиды кальция и алюминия со следами других лёгких металлов. Свободные металлические конкреции - это в основном железо (72-93%) и никель (5-25%) с примерно двух процентным содержанием кобальта и следовыми количествами металлов платиновой группы или других сидерофилов. Матрица представляет собой лёд, другие летучие вещества, сульфиды железа, соли, оксиды и силикаты магния, углеродные полимеры, органические соединения, пресолярные зерна, осколки стекла и другие сложные частицы. В случае CI это может быть около 95% матрицы, 5% хондр и крошечные доли CAI и свободного металла. Это 20% воды, 25% железа ( в виде оксидов ), 0,01% свободного металла, возможно, 2,4% содержания углерода в виде комплексных соединений, в то время как остальное - в основном представляет собой силикаты магния. Другие типы могут быть ближе к 5-10% воды, 2-3% свободного металла, 10-20% общего железа, 10% неводного кислорода и 1-3% углерода. Так если предположить что взятый вами астероид будет относиться к описанному выше, одному из наиболее распространенных, типу и будет иметь массу в 1000 тонн ( максимальная допустимая масса которую может обработать один " автоматический шахтёр " или " медоносная пчела " за один раз ) вы получите 100 тонн воды, 224 тонны железа, 100 тонн кислорода, 30 тонн углерода, 4,5 тонны никеля, 600 кг кобальта и несколько килограммов металлов платиновой группы и различных редких видов каменных пород. Остальные 540 тонн будут представлять собой силикаты магния, которые могут быть переработаны для получения большего количества кислорода, кремния и некоторых других микроэлементов. Сам рикель будет хранится в виде тетракарбонила ( плотность которого составляет ~ 1,32 г куб.см, 34% Ni по массе, температура плавления -17 °C, точка кипения 43 °C ), что требует хранения 10,03 м³ при низком давлении и контролируемой температуре ( также при этом требуется 8,74 тон CO или 3,75 тон C + 5 тон O ). Вместо этого он может храниться в контейнерах с мелким порошком, насыпной плотностью около 2,6 г/куб. Железо также можно хранить в виде пентакарбонила ( плотность 1,45 г/куб.см, 28,5% Fe по массе, температура плавления -21 ° C, точка кипения 103 ° C ), для чего требуется хранение 542 м³ при низком давлении и контролируемой температуре ( также при этом нам требуются 562 тон CO или 241 тон C + 321 тон О). Его предпочтительно можно хранить в контейнерах с мелким порошком, насыпной плотностью около 2,6 г/куб. Воду при этом можно заморозить в блоки ( плотностью ни более 0,93 г/куб.см ) и запечатать алюминизированной майларовой пленкой. Также его можно осторожно заморозить внутри резервуаров, избегая избыточного давления; для чего вам потребуется полость в 108 м³. Кислород может хранится в виде охлажденной жидкости, для чего требуется 87,8 м³ охлаждаемых посредством определённой системы терморегуляции резервуаров высокого давления. ============================ Водно-плазменная ракета — в основном представляет из себя геликонный двигатель, в котором в качестве топлива используется вода. Геликонный двигатель - это безэлектродный электрический двигатель, который использует микроволновую энергию от "геликонной" антенны для мгновенного нагрева топлива до агрегатного состояния плазмы. Поскольку горячая вода не касается электрода, подающего энергию, система привода не вызывает коррозии. Таким образом, он может работать в течение достаточно долгого времени. Во время этого процесса " водяная плазма " ( ионы водорода, кислорода и гидроксида плюс их свободные электроны ) устремляется наружу и производит удельный импульс (Isp) в 700 секунд в небольшой начальной системе, это лучше, чем сжигать водород и кислород для получения горячего пара, как в главном двигателе космического шаттла, который обычно вырабатывает в космосе около 460 секунд исп. И большинство смесей топлива длительного хранения, которые хорошо хранятся в космосе, такие как монометилгидразин + тетроксид азота, выдерживают около 300 секунд. Но у всех электрических ракет есть обратная сторона. Электроэнергия должна подаваться на двигатель, а её очень много, в отличие от химического топлива, которое реагирует, высвобождая запасенную энергию, электрическая ракета нуждается в электроэнергии для превращения пороха в толчок (3P, Power-Propellant-Push). Isp 700 секунд переводится в эффективную скорость реактивной струи около 6865 м / с, что означает кинетическую энергию 23,6 мегаджоулей на килограмм пороха, выпущенного через заднюю часть двигателя. Струя этого 1 килограмма в секунду со скоростью 6865 м / с даёт вам импульс в 6865 ньютон-секунд. Если комбинация спутник + ракета весит 300 кг, то она будет ускоряться со скоростью 6865 кг · м / с2 / 300 кг = 22,9 м / с2, что, вероятно, является чрезмерным для спутника, уже находящегося на орбите. Это также потребовало бы питания реактивного самолёта мощностью не менее 23,6 мегаватт - и, возможно, больше, чем 32 мегаватта, если принять во внимание эффективность ракеты. Если мы уменьшим количество импульсов в секунду до 1 ньютона, а не до 6 865, то ускорение будет неторопливым 3,33 мм / с2, а потребляемая мощность будет немногим больше 4,5 киловатт, что все ещё довольно много. Если половина массы на борту является ракетной, то общее время его использования приблизительно составляет 12 дней. Отношение массы пустого к заполненному составляет 2, таким образом, благодаря уравнению ракеты, мы можем вычислить общую треугольную форму как LN (2) x 6 865 м / с = 4 758 м / с. Если мы начнём с низкой околоземной орбиты ( НОО ), это даст нам большую часть пути к геосинхронной околоземной орбите (ГСО), но большую часть времени мы будем проводить в худших частях радиационных поясов Ван Аллена. Спутник можно укрепить, чтобы выдержать наказание, но он съедает реальную «полезную нагрузку», которую мы доставляем на его новое место. Другой вариант, если мы используем воду, - это превратить ее в водород и кислород, чтобы затем заправить ими нашу ракету, которая может сжечь их с большой тягой и доставить наш спутник, привязанный к ГСО, всего за несколько часов, а не дней ( примечание: здесь наиболее доступны электрические ракеты фактически потребовавшие несколько месяцев из-за их более высоких требований к мощности и меньшей тяги.) Если мы реагируем на водород и кислород с образованием воды, то энергия, выделяемая на километр (18,015 кг H2 / O), составляет 241,83 мегаджоулей, это 13,42 мегаджоулей на килограмм топливной смеси. Таким образом, обратный процесс - расщепление воды на водород и кислород - означает нанесение хотя бы такого количества воды на ее разрушение. Обычным предполагаемым процессом является электролиз, который использует электрические потенциалы для разрушения молекул воды, и его эффективность обычно составляет 70-80%. Затем полученные газы необходимо охладить и сжать до жидкой формы, чтобы их можно было хранить. Итого 15,33 мегаджоулей на килограмм. При эффективности 80% это означает 19,16 МДж / кг. Орбитальная топливная база, расщепляющая воду для производства топлива, работающая на ~ 20 мегаватт, будет производить 1 килограмм топлива в секунду, то есть более 30 000 тонн в год. Это позволит доставить на GEO около 20 000 тонн полезной нагрузки в год, что намного превышает нынешний уровень трафика. Если имеется около 450 активных спутников на геостационарной орбите со средним сроком службы 15 лет и массой около 6 тонн, то каждый год необходимо запускать 30 сменных спутников, таким образом, около 300 тонн топлива в год - что вполне хорошая начальная цель. Таким образом, орбитальному топливному складу требуется около 0,2 мегаватта энергии для обеспечения топливом космических буксиров, обслуживающих спутниковую торговлю на ГСО. Если мы будем использовать солнечную энергию, это будет самая большая из когда-либо запущенных одиночных массивов, но она не обязательно должна быть действительно тяжёлой. Отражатели, которые концентрируют солнечный свет на высокотемпературных солнечных элементах, могут минимизировать массу и общую площадь дорогих полупроводников, из которых сделаны такие солнечные элементы. Вопрос: какой источник воды лучше всего использовать? Конечно, Земля с её океанами и морями может показаться логичным выбором. Throw-Away Falcon Heavy обещает НОО около 60 тонн полезной нагрузки. Таким образом, 5 Falcon Heavies в год могли бы снабжать водой. Всего РП-1 / LOX потребовалось 1400 × 5 = 7000 тонн. Полностью многоразовые "Falcon Heavies" могут доставить 30 тонн на НОО, поэтому 10 запусков будет для нас вполне достаточно. Чуть дальше - ракета Big Falcon обещает НОО 100 тонн. Для поднятия всего этого на орбиту требуется всего три запуска, но требуется около 4000 тонн LCH4 / LOX на BFR, то есть всего 12.000 тонн. Другой вариант - добывать воду на Луне, а затем доставлять её на НОО с помощью ракет H2 / O2. Лунный буксир может запускаться с поверхности на орбиту перехода к Земле со скоростью около 2,5 км / с с воздушным торможением на НОО. Лунный буксир плюс полезная нагрузка в 100 тонн водной массы около 120 тонн, но для запуска с Луны требуется около 173 тонн H2 / O2, а затем для возврата пустого буксира на Луну. Это ставит под сомнение весь описанный ранее процесс, поскольку поставка 300 тонн воды на НОО для превращения в H2 / O2 также означает необходимость производства около 519 тонн воды для использования её на Луне. Таким образом, на Луну должен быть предварительно доставлен источник 2,5 мегаватт электроэнергии. Это может быть не слишком обременительно, особенно если лунный реголит можно превратить в солнечные батареи, как предлагают некоторые. В этот момент становится актуальным приложение Momentus Space Water Rocket. Если «Лунный буксир» доставляет воду к ожидающей водяной ракете на низкой лунной орбите (LLO), которая затем возвращает ее на НОО с помощью аэродинамического торможения, то ему требуется всего около 100 тонн H2 / O2 на каждые 100 тонн доставленной воды. Орбитальная конструкция потребует некоторой тонкости. Орбиты с низкой тягой не похожи на орбиты с высокой тягой. Общая требуемая дельта-vee значительно выше. В случае полета с НОО на НЛО и обратно, общая дельта-ветвь может достигать 18,8 км / с, что является непомерно высокими дополнительными расходами на воду. Это переход с НОО на НЛО и обратно, только под натиском, таким образом, вместо того, чтобы продвигаться на всем пути, Водяная Ракета уносится от LLO в Сферу Влияния Земли и на орбиту с аэродинамическим торможением с низким перигеем, треугольник, как я предполагаю, больше похож на 2 км / с в одну сторону. Однако возвращение на Луну влечет за собой штраф по треугольнику малой тяги, но возвращается только «Водяная ракета» без 100 тонн полезной нагрузки. Обратное треугольное соединение может достигать ~ 9,4 км / с, но, надеюсь, оно будет меньше за счет тщательного орбитального проектирования. В качестве альтернативы мы могли бы сделать резервуары для воды, которые могут самостоятельно тормозить, а затем использовать их в качестве резервуаров высокого давления на LEO после опорожнения. После доставки «Водяная ракета» может беспрепятственно вернуться на Луну, если перигей не будет слишком низким.