Лунный гелий-3 или Все пути ведут на Луну

[serb]

А что б не заложиться на одноразовый РБ с солнечными батареями?
Буксир на ЭРД - это блок ЭРД + источник энергии + топливо в баках.

Источник энергии - если это реактор на ПН - надо обновлять каждый раз.
Двигатели подвержены деградации, причем за время, сравнимое со временем рейса.
Топливо так и так тащить наверх в баках.

Так что может, разработать дешевый одноразовый ЭРД-буксир?

К примеру, такой расклад.
Солнечная батарея на 150 кВт едина для всех типоразмеров - более тяжелые нагрузки с раздельным выделением просто летят дольше.
Учитывая, что 15-МВт модуль "Энергия" планировала втиснуть в 40 тонн, давая весьма консервативный масштабный фактор степени - 0.5 получаем массу буксира в 4 тонны. Удельная мощность батарей из проекта "Энергии - 167 Вт/кв.м., т.е. площадь паруса - до 900 кв.м., 2 квадрата 22х22 м.
Isp также берем из энергиевского проекта - 40 км/с, Z=1.22.

Для "однопротонной" схемы в 22 т на LEO получаем расклад по массе 14 т ПН на LLO (7 на Луне), 4 тонны буксира и 4 тонны рабочего тела. Тогда время полета = Мрт*Vsp*Vsp/(2*Мощность*КПД)=26 666 666. (6) ;-) сек=308 суток или чуть меньше года.
Как раз гарантийный срок СПД (7500 часов), да и СБ деградируют уже, чего их возвращать? И никакой мороки с возвратом, стыковками и пр.

А 4 тонны для буксира - вообще-то дофига. Баки на 4 тонны - килограмм 400, связка движков на 150 кВт  - ну тут есть спецы, подозреваю, максимум 3.5кг(СПД-100 1-киловаттный)*150=525 кг (это оценка сверху), ну пусть 600. 8х16-метровых ферм для растяжки СБ (диагонали 2 ромбов) - по 10 кг на метр - 1280 кг. Солнечные батареи из энергиевского же проекта имеют 40-микронную ЕМНИП толщину, там армирование весить будет больше, ну пусть даже грамм сто на метр - ну там тросы, гиродины, двигатели - скорее где-то 2.5 тонны буксир весить будет.

[Fakir]

Sevlagor

Насчёт ЭРД-буксира:
Можно вместо ксенона использовать калий. Он всего-то на ~10% хуже,

Калий... ну может быть. Но тогда в качестве движка придётся использовать что-то вроде торцевых МПД - я не слышал, чтобы на щелочных металлах работали СПД, не уверен, что это возможно. А у МПД пока есть проблема - ресурс (считаем, что мощности у нас хватает). И вообще при использовании металлов в качестве рабочего тела возникают проблемы. Но в принципе можно допустить, что эти проблемы решаемы - если и впрямь мы можем дегко получить рабочее тело в достаточных количествах на Луне.  

зато добывать можно НА ЛУНЕ !

Вопрос - как? Из чего, каким способом?

Кроме того у Земли можно тормозиться об нижниние слои ионосферы многометровым зонтиком из углеродной ткани.

Хм... не уверен, что при перелёте с малой тягой это удастся...

Сделать это можно например так:
Есть горизонтальная труба ~1 м диаметр и эдак метров 5-6 длинной.
Внутри трубы шнек, как у мясорубки.

Труба со шнеком - это хорошая мысль.

У трубы внутри стенки есть каналы по которым прокачивается теплоноситель.

Тогда уж и внутри шнека прокачивать. Нужно максимально использовать для теплообмена все поверхности - теплопроводность у реголита, по идее, паршивая. Хотя, с другой стороны, в "шнековой трубе" он будет перемешиваться, что хорошо... Но всё равно лучше использовать все поверхности.

Теплоноситель прокачивается НАВСТРЕЧУ грунту  

Ну это естественно, как в любом рекуператоре.

Далее в середине трубы - вторая зона, в ней происходит нагрев грунта от внешнего источника до температуры 800 град. и сдесь же в основном выделяются газы.

А вот собирать выделяющиеся газы прямо в трубе будет, видимо, непросто - газа-то очень немного. И как обеспечить герметизацию? Вероятно, шнековую трубу лучше разбить на две части: одна осуществляет предварительные нагрев до температур, при которых газ еще не начинается выделяться в заметных количествах, а вторая отбирает тепло от уже переработанного реголита. А окончательный нагрев и сбор газов проводить в периодически герметизируемой камере.

Если взять dT=40 град., а Твнеш.=0 град

Твнеш будет меняться в течение лунных суток на сотни градусов, так что эффективность рекуперации тоже будет меняться в широких пределах. Возникает вопрос, на что закладываться.

Т.к. горючих газов из грунта выделяется столько что, при коэф. рекурперации около 0.9, их сгорание может дать до 20% от требующегося кол-ва тепла.

Да ну что вы, откуда? Из 100 кг реголита всего 6 грамм водорода и 1,5 грамма метана. Сколько они там тепла дадут...

[Fakir]

RDA

Вопрос. А зачем обязательно все оборудование для забора и сепарации реголита иметь на одной установке? Почему не стоит применять модульный принцип и не сделать вместо единого "трактора" автопоезд?

Может быть, и стоит применить модульный принцип - если комбайн удастся эффективно разбить на модули, что пока не очевидно.

А чего, по-вашему, не хватает в технологиях, если рассматривать добычу гелия-3 на Луне?

Эффективной и по возможности малоэнергоёмкой технологии "выпаривания" из реголита первичной газовой смеси.

[avmich]

Вот поэтому и надо очередную систематизацию провести. Потому что на 20+ страницах уже много противоречивого рассматривалось...

Мне кажется, делать сложную установку - способную перерабатывать реголит на множество различных фракций - ещё и мобильной - особенно поначалу - неважная идея. Ну и что, что реголит таскать надо помногу - потаскаем, бульдозерам больше делать нечего. А вот стартовую стоимость проекта это понизит.

В общем, нужна очередная версия рассказа :) и, конечно, ЧаВО по обсуждённым в теме вопросам :) .

[Athlon]

Пока трудно ответить, т.к. еще не полностью уяснили схему добычи.

Попробуем пока разобраться со схемой на ядерных комбайнах. Вопрос в том, какую энергетику удастся запихнуть в 16 тонн. По реактору можно оценить как 2т на 1Мвт тепловой мощности, необходимо оценить массу конструкции, на резерв массы увеличиваем мощность реактора.
Еще надо определится, будет ли у нас какая рекуперация, ее эффективность и вес...
Комбайн у нас состоит вроде бы из следующих блоков:
1) Реактор (с радиаторами и какой-никакой защитой?), + резервные аккумуляторы.
2) Система отбора тепла от реактора и передачи его в камеру выпаривания
3) Блок выработки электроэнергии от реактора, ориентировочно на 100кВт
4) Собственно тележка с электродвигателями
5) Грунтозаборное устройство и вся механика тракта перемещения и измельчения грунта
6) Нагревательная камера
7) Некая ловушка для выделяющихся газов с баллоном.
8. Рекуперационное устройство?
9) Системы управления и связи
Чтобы стыковаться с ЭРД буксиром, нужна система ориентации и стыковки.
Вроде ничего не забыл?
Теперь надо понять, сколько все это может весить...

[Fakir]

avmich

Мне кажется, делать сложную установку - способную перерабатывать реголит на множество различных фракций - ещё и мобильной - особенно поначалу - неважная идея.

Так комбайн не должен разделять газ по фракциям, он просто греет реголит до 800 С и собирает в баллоны выделяющуюся газовую смесь. По фракциям она разделяется уже на полустационарной криостанции.

[avmich]

Это не есть "простая" операция. Думаю, она сопоставима по сложности - в смысле потребного оборудования - с другими.

[Fakir]

Athlon

Теперь надо понять, сколько все это может весить...

Я бы предложил вопрос о суммарной массе временно отложить - до выяснения вопросов о методе выделения газов, технике рекуперации, источнике энергии и др.

Еще надо определится, будет ли у нас какая рекуперация, ее эффективность и вес...

Лучше бы, чтобы была (как-никак может в разы уменьшить необходимую бортовую энергетику). Если, конечно не придумается эффективный "нетепловой" метод выделения газов.

и какой-никакой защитой?),

Защита из местных материалов! Масса некритична!

3) Блок выработки электроэнергии от реактора, ориентировочно на 100кВт

Не исключено, что и вовсе не понадобится - завист от того, какие максимальные температуры может стерпеть теплоноситель и система трубопроводов; если порядка 900 С терпит - электричество нам вообще почти не понадобится, только для электроники считанные ватты.

4) Собственно тележка с электродвигателями

А зачем электродвигатели? Неэффективно. Вероятно, лучше крутить прямо теплоносителем. Хотя... герметизация... Да, может быть, и впрямь придётся делать электрогенератор (термоэмиссионный или другой без подвижных частей) и электродвигатели.

[avmich]

А вы точно собираетесь всё греть только энергией от реактора, Солнечную энергию никак не использовать, даже для предварительного нагрева?

[Fakir]

avmich

А вы точно собираетесь всё греть только энергией от реактора, Солнечную энергию никак не использовать, даже для предварительного нагрева?

Пока еще совершенно неточно. Кульчински только на Солнце закладывается. Татарин тоже предлагает солнечную систему (удобнее, пожалуй, посмотреть здесь - http://forums.airbase.ru/index.php?showtopic=24540&st=45# ).
Может быть, и вместе с реактором солнечный нагрев будет целесообразно использовать (зависит от габаритов и массы солнечных концентратороров и еще кучи обстоятельств). Например, нагревать реголит прямо на поверхности, перед забором в комбайн. Или, может быть, еще удобнее будет окончательно догревать реголит солнечным излучением в частично прозрачной выпаривательной камере - если окажется, что теплоноситель и его контур не держат температуры выше, скажем, 600 С.

Это не есть "простая" операция. Думаю, она сопоставима по сложности - в смысле потребного оборудования - с другими.

Возможно. Но если выпаривательный пункт - отдельно, сборщики реголита - отдельно, возникает довольно много сложностей, хотя сборщики и упрощаются. Какая система в сумме окажется проще - большой вопрос.

Вот поэтому и надо очередную систематизацию провести. Потому что на 20+ страницах уже много противоречивого рассматривалось...

Попробуем для начала сделать так: я заведу на Авиабазе соответствующий топик и запощу туда отсюда все цитаты, касающиеся технологии переработки реголита.

[Nixer]

Скажите, почему все это мне жутко напоминает стратегические игры вроде Дюны, C&C, Редалерта и т.д.? Ведь никогда на Земле не было такого!

[Sevlagor]

Замечание по начальной температуре грунта.

Теплопроводность риголита ОЧЕНЬ низкая поэтому уже на глубине >30 см его температура всегда и везде в районе -60 град. С.
ИМХО соскребать его только с поверхности не дело, надо зарываться на всю глубину где есть достаточно Не3.

===============================================

Насчёт харвестеров с питанием только от солнца:

Если принять что:
- нагревать нужно от -60 до +800
- теплоёмкость грунта в среднем 740 Дж/град*кг
- и интегральная (от -60 до +800) теплоёмкость 640 кДж/кг
- коэф. рекурперации 0.9
- и в результате итоговое энергопотребление ~64 кДж/кг

то: с зеркалом на каждом харвестере D=10 м, имеем мощность 100 кВт.
и производительность:
по грунту ....  ~1.58 кг/сек (136 т/сутки)
по Не3 ......... ~1.37 г/сутки.

При потребностях в гелии-3 в размере 50 кг/сутки необходимо 73 000 шт. харвестеров (с учётом что ночью стоят).
Хотя машинка (учитывая что грунта перерабатывается всего 1.6 кг/сек) получается небольшая, ИМХО 73 тыс. шт. это черезчур много!  :?

Я вот к чему клоню, собственно идея с работой от солнца хороша в основном тем что харвестер получается, при простоте, автономным.
"Включил-и-забыл" он ездит сам по себе ... никто ему не нужен, ... никого ему ненадо ... - благодать

ОДНАКО при такой низкой производительности далеко он и не уедет!
Максимум на 200 м за сутки продвинется.
Получается что автономность особо и не нужна! Смысла особого нету.

А недостатки при том серьёзнейшие: производительность низкая, машинок нужно многие тьмы, половину времени простаивают.

Пожалуй энергопитание от солнца не прокатывает.

[avmich]

Может, зеркало побольше сделать? 10 м - можно ведь и больше? Вон на Russian JIMO, кажется, демонстрировалась антенна радара - так она по одному измерению 19 м. При этом вроде не предел - просто достигнутая величина.

[Sevlagor]

Может, зеркало побольше сделать? 10 м - можно ведь и больше? Вон на Russian JIMO, кажется, демонстрировалась антенна радара - так она по одному измерению 19 м. При этом вроде не предел - просто достигнутая величина.

Проблема в том что машинка маленькая, т.к. производительность по грунту не высокая ~1-2 кг/сек. Большое зеркало такую машинку просто опрокинет, поверхность-то неровная.
Ляжет зеркало на землю и ... возись с ним - поднимай ... а их много десятков тысяч ползает.
Зеркало конечно лёгкое, но рычаг сил равен высоте, плюс инерция.

Придётся увеличивать габариты харвестера только для того чтоб он не опрокидывался. Или городить гиростабилизацию вышки на котором зеркало.

И опять же, ну увеличим зеркало до 20м потребуется не 73 000 шт. а 19  500.
Ну и что? Легче стало? ИМХО не намного  :?

Во! Давайте введём такой критерий эффективности:
Кэ=Mг/Мх
где: Мх - масса харвестера (т);
Мг - масса добываемого им гелия (г/сутки).
Чем выше тем лучше.

Примем Мх для харвестера с 10-метровым зеркалом = 3.0 т.
Мг = 1.37 г/сутки
Кэ= 0,46

[Bell]

Хм, а почему вы так зациклились на харвестерах с полным циклом?

Мне вот кажется, что проще будут "зерноуборочные комбайны" (чисто сбор и намолот + грузовики + центральный ГОК с космодромом.

В радиусе 10 км при толщине снимаемого реголита 5 м получается 1,6 т гелия-3, на 20 км - уже 6,3 т, 30 км - 14 т.

Гонять грузовики за 20-30 км - не проблема, имхо, по ровному дну карьера.

На ГОКе - реактор, питающий комбайны по передвижным ЛЭП, там измельченная порода централизованно (т.е. намного дешевле) перерабатывается.

[Fakir]

Bell

при толщине снимаемого реголита 5 м

Гелий-3 в реголите есть до глубины порядка 2 м.

[Fakir]

Кстати, кое-где на Луне, вероятно, толщина реголита менее полуметра (напр., в Море Изобилия).

[Sevlagor]

Fakir

Калий... ну может быть. Но тогда в качестве движка придётся использовать что-то вроде торцевых МПД - я не слышал, чтобы на щелочных металлах работали СПД, не уверен, что это возможно. А у МПД пока есть проблема - ресурс (считаем, что мощности у нас хватает). И вообще при использовании металлов в качестве рабочего тела возникают проблемы. Но в принципе можно допустить, что эти проблемы решаемы - если и впрямь мы можем дегко получить рабочее тело в достаточных количествах на Луне.  

зато добывать можно НА ЛУНЕ !

Вопрос - как? Из чего, каким способом?

Я когда подыскивал топливо для ЭРД-буксиров/межпланетных ораблей, ориентировался только:
1. Наличие вещества на Луне/Фобосе/астероидах
2. Величину энергии ионизации.

В устройстве ЭРД и их проблемах я практически неразбераюсь.
Если с ЭРД на калии есть проблемы и они неразрешимы, ну тогда конечно, настаивать не могу :?

Кроме того у Земли можно тормозиться об нижниние слои ионосферы многометровым зонтиком из углеродной ткани.

Хм... не уверен, что при перелёте с малой тягой это удастся...

Почему? :?

А вот собирать выделяющиеся газы прямо в трубе будет, видимо, непросто - газа-то очень немного. И как обеспечить герметизацию? Вероятно, шнековую трубу лучше разбить на две части: одна осуществляет предварительные нагрев до температур, при которых газ еще не начинается выделяться в заметных количествах, а вторая отбирает тепло от уже переработанного реголита. А окончательный нагрев и сбор газов проводить в периодически герметизируемой камере.

Хоть с рекуператором хоть без собирать газы всё равно както надо. К непосредственно рекуператору эта проблема отношения не имеет. Она общая.

Про разделение трубы я уже думал.
Та конструкция которую я описал - простейшая без наворотов, чтоб пониманию принципа не мешали детали.

В усовершенствованной конструкции одна шнековая труба вложена внутрь другой диаметром в ~1.5 раза больше.
Шнеки в них закручены в разные стороны.
Врашаются они как единое целое.

По внутренней трубе грунт движется к нагревателю, после него по внешней трубе в обратную сторону.

Нет проблем с перекачкой теплоносителя из одной трубы в другую т.к. они единое целое.
Габариты получаются в двое меньше.

Идея герметезировать только зону нагревателя вобщем-то хороша.
Хотя появляются две серьёзных проблемы.
1. Шлюзовать надо раскалённый грунт. И сам шлюз будет раскалён.
2. Величина окончательного нагрева = 2*dT
Т.е. чем меньше окончательный нагрев тем выше коэф. рекупирования и выше экономия энергии.
Это цель №1 !
Коэф. рекуперации напрямую влияет сколько нужно харвестеров, сколько тысяч тонн надо забросить на луну и сколько сотен или десятков людей там будут работать и в какие гигабаксы это обойдётся.
Но если снизить dT до минимума то будет теряться много газа
он ведь не будет дожидаться когда мы нагреем точно до 800

Значит либо экономия от рекупирования сходит на нет, либо в герметичной камере кроме зоны окончательного нагрева помещаем второе устройство рекупирования аналогичное внешнему. И идея герметизировать только зону нагрева (и тем самым уменьшить герметизируемый объём и упростить откачку) до конца не реализовывается.

И всё равно радикально проблему шлюзования грунта и откачки газов это всётаки не решит.
Газов выделяется мало, их давление невысоко, поэтому чтоб уменьшить потери газов при шлюзовании грунта откачивать надо до глубокого вакуума, а это время и энергия :?

Твнеш будет меняться в течение лунных суток на сотни градусов, так что эффективность рекуперации тоже будет меняться в широких пределах. Возникает вопрос, на что закладываться.

на глубине >30 см температура везде и всегда -60 С.
Если зарываться существенно глубже 30 см то колебания температуры здорово снизяться.

Кроме того если Твнеш выше то нагревать нужно на меньшую величину, а т.к. длинна тракта рекуператора прежняя можно снизить скорость теплообмена уменьшив dT.
В итоге выходит то на то.
Если Твнеш ниже то всё наоборот.
Изменение Твнеш коэф. рекуперации изменить не должно.

Если энергозатраты и поменяются то из-за более тонких эффектов и скорей всего на гораздо меньшую величину.
Например из-за изменения интегральной (от Твнеш до 800 С) теплоёмкости грунта.

Эта конструкция рекуператора какраз тем и хороша что на её работу очень слабо влияют флуктуации свойств грунта и прочие обстоятельства.
Она достаточно "дубовая" (что является преимуществом), способов сломаться у неё относительно не много.

Т.к. горючих газов из грунта выделяется столько что, при коэф. рекурперации около 0.9, их сгорание может дать до 20% от требующегося кол-ва тепла.

Да ну что вы, откуда? Из 100 кг реголита всего 6 грамм водорода и 1,5 грамма метана. Сколько они там тепла дадут...

Водорода - 6, метана - 2, СО ещё 2.
Один водород даёт 13.5% (при коэф. рекуперации 0.9), с метаном и СО 15-17% точно наберётся.
20% действительно скорее не наберётся.

[foogoo]

С уважением, ко всем собеседникам хотел бы добавить, продолжая свою мысль о производстве на Луне, что единственный путь на Луну сейчас, это перспектива сэкономить деньги.  

Да! Кто может поспорить с тем, что Лунная программа нужна человечеству именно для этого. На Луне есть все, что нужно, что бы Космос стал дешевле и стал приносить деньги, а не быть красивой сказкой, в которую как в черную дыру улетают деньги налогоплательщиков.

СССР, а теперь Россия имеют уникальный опыт в освоении Луны – автоматизированное освоение без участия человека. Нужно двигаться именно им. Все современные специалисты по космосу в один голос говорят – человеку в космосе делать нечего.

Любое участие в лунной программе Россия может обеспечить только тем, что будет иметь уникальные и дешевые лунные технологии. Только наличие подобных технологий обеспечило участие России в программе МКС, да и сделало возможным само существование МКС. Америке конкуренты на Луне не нужны. Но наличие отдельного, самостоятельного и дешевого доступа к лунным ресурсам заставит дядю Сема считаться с этим.

На данном этапе Америка считает Луну своей территорией. Что такое несколько грамм лунного грунта, привезенных на Землю советской станцией, по сравнению с десятками килограммов привезенными американцами? Ничего скажете Вы и будете неправым. Стоимость, вот главная разница!

Современные технологии позволят сделать Луноход нового поколения с сотни раз легче. Создание на Луне постоянно действующей станции по добыче информации о полезных ископаемых обойдется сейчас в сотни раз дешевле, чем во времена Луноходов.

Программа для исследований должна быть составлена с учетом удешевления существующих программ и программ ближайшего будущего. Первое – это наладить производство и доставку на орбиту Земли недорогих энергоносителей и материалов. Это кислород, водород и металлы. Есть масса интересных проектов, которые тормозятся именно недостатком топлива и материалов на орбите.

Небольшая экспериментальная станция по производству кислорода и железа (водород с его низким удельным весом вначале можно возить с Земли) на Луне с доставкой их на орбиту, сделает возможной создание больших, или нет БОЛЬШИХ зеркал на орбите. Станет возможным недорого создавать большие платформы, и большие обитаемые модули с искусственной гравитацией и с размерами не мыслимыми на сегодняшнем этапе.

Отдельно можно предложить создание низкоскоростных челноков. Если стоимость топлива на орбите будет низкой, можно позволить себе роскошь тормозить челноки в космосе практически до нулевой скорости относительно Земли и обходиться намного более дешевыми аппаратами, которые не будут нести на себе тяжелую и фантастически дорогую термозащиту.

Небольшая станция может быть вполне оправдана. Все будет компенсироваться ее постоянной автоматической работой. За время, пока американцы потратят миллиарды на создание обитаемых станций на Луне, можно добыть тонны металлов и кислорода. Переплавить металлы в зеркала с идеально ровной поверхностью и поднять их на орбиту Земли со смешными по земным меркам затратами.

Я считаю, что у России есть очень хороший шанс в освоении Луны. He3 хорошая штука, но ближайшие двадцать лет никому не нужная. За эти 20 лет можно добыть бесценный опыт и создать уникальную инфраструктуру на Луне с относительно небольшими затратами.

Сделайте возможным создание 10000-тонного комбайна по переработке реголита на Луне силами российских лунных роботов и американцы прибегут к вам с протянутой рукой.

[avmich]

При рассмотрении вариантов оборудования для промзоны Луны надо учитывать стартовые расходы - т.е. расходы до того момента, как с Луны что-то пойдёт обратно. Эти расходы надо бы минимизировать.

То есть, например, не 10 000 бульдозеров запускать, а потом уже 1000 комбайнов, скажем, а 10 бульдозеров, 1 комбайн и добиваться получения продукта. Потом уже, в идеале - на деньги от продукта - посылать следующее оборудование.