Первый дом человечества в космосе: куда направить главные усилия до 2050 года?

[Дем]

А азот откуда?

Азота в марсианском грунте килограммы на кубометр, в виде нитратов
А учитывая растворимость нитратов - то это остатки окислившегося азота, уже после того как Марс совсем высох. Основная масса где-то выпала в бывшем океане. 

[Капитан Бутан]

Азота в марсианском грунте килограммы на кубометр, в виде нитратов

Прям на кубометр? А кто-то разве бурил вглубь на метр и проверял что концентрация одна и та же? Я вот говорю что "нитраты" это просто присыпка на поверхности в удачном месте, а во всех других местах её нет. И кто меня опровергнет, а?

учитывая растворимость нитратов - то это остатки окислившегося азота, уже после того как Марс совсем высох.

Удивительно, а как же это так двухатомный инертнейший азот взял и окислился. А кто его окислил, свободный кислород? Мы уже дошли до того чтобы всерьёз рассуждать про кислородную атмосферу на Марсе? Ну-ну

Основная масса где-то выпала в бывшем океане. 

Ага, всенепременно. Поди там сотни миллибар азота спрятаны. И весь он окислился из N₂ до нитратов, вот взял и окислился. Прямо как на Земле, да? У нас же происходит окисление азота в атмосфере? 

[AlexV]

и огромные запасы ртути в полярных кратерах, ртуть правда сегодня не особо кому нужна, но мало ли как изменятся потребности технологии в будущем). Заселять там нечего и незачем, а вот вовлечение в земную экономику теоретически вполне возможно.

Кстати, по Луне есть определенные предпосылки наличия там в полярных кратерах значимых запасов не только ртути, но и золота с серебром (https://www.researchgate.net/publication/286162525_Prospecting_for_native_metals_in_lunar_polar_craters).  Причем в виде очень высококачественной по земным меркам руды с концентрацией серебра до 0.1%, а золота до 0.5%.

Если все это подтвердится, то учитывая механизм образования месторождений редких металлов в полярных кратерах Луны, практически уверен, что помимо упомянутых ртути, золота и серебра там будут также значимые запасы цинка, кадмия и индия.

[Капитан Бутан]

учитывая механизм образования месторождений редких металлов в полярных кратерах Луны, практически уверен, что помимо упомянутых ртути, золота и серебра там будут также значимые запасы цинка, кадмия и индия.

А по какому механизму на Луне образуются частицы самородного серебра и золота? Вот берём мы реголит, смотрим состав, где там золото и серебро?

[Капитан Бутан]

Причем в виде очень высококачественной по земным меркам руды с концентрацией серебра до 0.1%, а золота до 0.5%.

В статье говорится что LADEE может обнаружить металлы в пыли. И как, обнаружил? Не могу найти данных

[AlexV]

А по какому механизму на Луне образуются частицы самородного серебра и золота? Вот берём мы реголит, смотрим состав, где там золото и серебро?

В эксперименте LRO-LAMP спектральные признаки серебра точно были (https://www.science.org/doi/10.1126/science.1187454). Что касается механизма накопления серебра и золота (по золоту там тоже вроде были спектральные признаки, хоть и не столь уверенно), то этот механизм с переносом микрочастиц самородного золота и серебра мне не нравится. Скорее всего механизм их накопления должен быть более похож на накопление ртути. Это достаточно летучие металлы и при метеоритной бомбардировке испаряются из грунта. Далее атом золота или серебра блуждает в экзосфере Луны, сорбируется и десорбируется грунтом (это инертные металлы и с силикатами прочных ковалентных связей не образуют, т.е. энергия связи единичного атома (т.е. когда на поверхности не пленка серебра или золота, а один изолированный атом) может быть не очень большой), пока не улетит в кратер вечной ночи, где и остается навсегда. 

[Капитан Бутан]

механизм с переносом микрочастиц самородного золота и серебра мне не нравится. Скорее всего механизм их накопления должен быть более похож на накопление ртути. Это достаточно летучие металлы

Серебро и золото вообще не летучие, в том-то и дело. По ртути, цинку и кадмию вопросов нет, но вот индий тоже не летучий, у него низкая температура плавления но высокая температура кипения.
И кроме того, даже если взять летучий металл...ну и что дальше? Метеорит ударился - ртуть испарилась. И тут же сконденсировалась обратно. А до полюса 3000 км
Нет, на одной летучести до полюса не доедешь. Видимо механизм движения металлических частиц к полюсу существует, но вот сами эти частицы могут образовываться только в редких случаях:
1. в грунте есть соединения металла, либо самородный металл
2. соединения нестойкие, разлагаются при умеренном нагреве (1000-2000К)
3. металл достаточно летуч чтобы при таком  умеренном нагреве дать много паров

Ртуть подходит под пункты 2 и 3, цинк и кадмий со скрипом подходят пункт 2 (соединения достаточно стойкие) и хорошо под пункт 3, а золото, серебро и индий вообще не проходят под пункт 3

[Капитан Бутан]

Далее атом золота или серебра блуждает в экзосфере Луны, сорбируется и десорбируется грунтом (это инертные металлы и с силикатами прочных ковалентных связей не образуют, т.е. энергия связи единичного атома (т.е. когда на поверхности не пленка серебра или золота, а один изолированный атом) может быть не очень большой), пока не улетит в кратер вечной ночи, где и остается навсегда. 

Может быть и так, может и так. В любом случае золото и серебро слишком высококипящие чтобы дать много атомов, да и к тому же их в реголите очень мало. А что насчёт радона? Радон на Луне точно был обнаружен, может таким образом получается накопление свинца?

[AlexV]

Серебро и золото вообще не летучие, в том-то и дело. По ртути, цинку и кадмию вопросов нет, но вот индий тоже не летучий, у него низкая температура плавления но высокая температура кипения.

Достаточно летучи. Давление паров над ними уже в районе температуры плавления довольно заметное. Индий - тоже, уже при 900 градусах заметно испаряется.

И кроме того, даже если взять летучий металл...ну и что дальше? Метеорит ударился - ртуть испарилась. И тут же сконденсировалась обратно. А до полюса 3000 км

Что сконденсироваться - атомы просто должны как-то встретиться, ну и давление должно быть выше давления насыщенного пара. А когда пар расширяется в вакуум значительная часть испарившихся атомов вообще полетят по баллистическим траекториям без столкновений. Т.е. расширяющийся пар формально пересечет  кривую фазового перехода жидкость-пар только там, где плотность пара уже столь мала, что атомы уже движутся в почти бесстолкновительном режиме. Далее пролетев какое-то расстояние атомы ртути, серебра и золота столкнутся с грунтом, но эти металлы не образуют ковалентных связей с силикатами, и одиночный атом на кристалле силиката будут удерживаться только слабыми ван-дер-ваальсовыми связями. Если бы на поверхности этих атомов было бы много - они слиплись бы и образовали металлическую пленку, но если этот атом один, то даже при небольшом нагреве он легко улетит. Ну и так много-много раз, пока он не заскочет в кратер вечной ночи, где даже этих слабых ван-дер-ваальсовых связей достаточно, чтобы удерживать его вечно.

Нет, тут реалистичный механизм накопления вполне понятен.

[AlexV]

1. в грунте есть соединения металла, либо самородный металл
2. соединения нестойкие, разлагаются при умеренном нагреве (1000-2000К)
3. металл достаточно летуч чтобы при таком  умеренном нагреве дать много паров

Так ртуть, золото и серебро подходит под все пункты.

1. Следовые количества металла (на уровне ppb) есть всегда, в любой естественной породе.
2. Соединения ртути, золота и серебра при нагревании легко разлагаются, давая свободный металл.
3. Все три металла достаточно летучи и при 1000 - 2000 градусов сильно испаряются.

Можно добавить ещё пункт 4. Одиночный атом металла должен давать с силикатами только слабую связь, не образовывая прочных химических связей (чтобы при оседании на грунт лунным днем этот атом мог снова десорбироваться). И это тоже для данных трех металлов выполняется.

Для кадмия эти три пункта тоже в целом выполняются. У него с разложением соединений при нагреве не очень, но если в грунте есть (а они есть) частицы металлического железа или углерода (из углистых хондритов), то его соединения ими могут легко восстанавливаться. Аналогично для цинка и индия.

[AlexV]

а золото, серебро и индий вообще не проходят под пункт 3

Ещё как подходят. У серебра при 1163 градусах Цельсия давление паров 13 Па, у золота столько при 1574 градусах. При этих температурах под вакуумом эти металлы испаряются очень сильно. Легко можно зеркало осаждать осаждением паров. В условиях лунного вакуума при типичных условиях столкновения метеорита с поверхностью они будут очень сильно испаряться.

[AlexV]

Азота в марсианском грунте килограммы на кубометр, в виде нитратов

С азотом на Марсе не очень. В грунте там что-то есть, но не сильно много. Геохимические модели дают следующий расклад по балансу азота в его геологической истории (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JE007934), см. таблицу.

Из них следует, что в грунте там сейчас больше азота, чем в атмосфере, но глобально все равно мало. Там где-то эквивалент глобального парциального давления 8 мбар азота (разность 9.8 общее образование нитратов за всю геологическую историю и 1.8 их декомпозиции).

[Капитан Бутан]

Ещё как подходят. У серебра при 1163 градусах Цельсия давление паров 13 Па, у золота столько при 1574 градусах. При этих температурах под вакуумом эти металлы испаряются очень сильно

Хех, а теперь прикиньте сколько кг паров образуется за время метеоритного удара, если давление паров всего 13Па. Ответ - исчезающе мало

[Капитан Бутан]

3. Все три металла достаточно летучи и при 1000 - 2000 градусов сильно испаряются.

Да не все три, а только ртуть. У серебра температура кипения 2000 по Цельсию, у золота 3000 по Цельсию. А если брать температуру меньше, то для испарения потребуется много времени, больше чем длится горячая фаза метеоритного удара

пролетев какое-то расстояние атомы ртути, серебра и золота столкнутся с грунтом, но эти металлы не образуют ковалентных связей с силикатами, и одиночный атом на кристалле силиката будут удерживаться только слабыми ван-дер-ваальсовыми связями. Если бы на поверхности этих атомов было бы много - они слиплись бы и образовали металлическую пленку, но если этот атом один, то даже при небольшом нагреве он легко улетит.

Вот с этим согласен, но надо внести ясность при какой именно температуре он улетит. А то может энергетический порог "улетания" превышает дневную температуру, и атом никуда не улетит и днём. И придётся ждать точного попадания УФ-кванта

[Капитан Бутан]

Можно добавить ещё пункт 4. Одиночный атом металла должен давать с силикатами только слабую связь, не образовывая прочных химических связей (чтобы при оседании на грунт лунным днем этот атом мог снова десорбироваться). И это тоже для данных трех металлов выполняется.

Для кадмия эти три пункта тоже в целом выполняются. У него с разложением соединений при нагреве не очень, но если в грунте есть (а они есть) частицы металлического железа или углерода (из углистых хондритов), то его соединения ими могут легко восстанавливаться. Аналогично для цинка и индия.

А что по свинцу? 

[AlexV]

Хех, а теперь прикиньте сколько кг паров образуется за время метеоритного удара, если давление паров всего 13Па. Ответ - исчезающе мало

А давайте прикинем. В качестве образца химического состава возьмем земной базальт (коренная лунная порода на него должна быть похожа). Типовой базальт содержит 100 ppb серебра и 4 ppb золота. Кроме того лунный базальт содержит 180 ppm воды, плюс какое-то количество углерода и серы, которое при нагревании может дать углекислый газ и диоксид серы. Теперь пусть удар метеорита нагревает такую породу до 1500 градусов. Вода, углекислый газ и диоксид серы дают пузыри, которые попутно вбирают редкие и малолетучие компаненты в соответствии с давлением их насыщенного пара и активностью в конденсированной фазе. Какой будет объем этого газа. Для простоты учтем только воду. 180 ppm при 1500 градусах Цельсия - это 1.5  литров газа на 1 кг породы при давлении 1 бар. Какое будет там парциальное давление золота и серебра, если оно полностью перейдет в эти пузыри. 180 ppm воды - это  0.01 моль воды на 1 кг породы, 100 ppb серебра - это 1E-6 моль серебра на 1 кг, 4 ppb золота - 2E-8 моль на 1 кг. Даже если в пузырях давление будет 1 бар, то в этом случае парциальное давление серебра будет в них 10 Па, а золота 0.2 Па. А давление насыщенного пара серебра при 1500 цельсиях около 1500 Па, а золота 2 Па. В реальности давление в образующихся в лунном вакууме пузырях в расплавленной породе будет сильно меньше 1 бара, а условия для испарения металлов ещё более благоприятные.

Т.е. как видите, даже 180 ppm воды (содержащихся в лунных базальтах), достаточно чтобы попутно полностью захватить в газовую фазу все серебро и золото из породы, если содержание этого золота и серебра такое же, как в земных базальтах. 

В общем, нормально оно может испаряться, в процессе выделения других более распространенных и более летучих компонент даже практически количественно.

 

[AlexV]

А что по свинцу? 

В спектрах LRO-LAMP помимо ртути и серебра есть данные о регистрации сигнала наличия золота, цинка и мышьяка. Самые достоверные сведения относительно ртути, она точно есть и её точно много. По другим сравнительно летучим металлам сведений нет. Свинец тоже теоретически может там накапливаться, как по тому же механизму, что и серебро (если относительно сигнала по золоту там все не так достоверно, то сигнал наличия серебра в кратерах вечной ночи точно есть), так и, в принципе, могло идти накопление радиогенного свинеца через радон.

[torazurey]

есть данные о регистрации сигнала наличия золота, цинка и мышьяка

Можно задать вам вопрос по геохимии бора в Солнечной системе? Есть проект межзвёздного корабля поколений на p-B11 реакции. Один корабль требует около 4 млн тонн бора в виде пентаборана. Вопросы:

1. Где в Солнечной системе помимо Земли реально искать бор в таких количествах - астероиды типа B и C, кора Марса, что-то ещё?

2. Насколько реальна добыча бора на Марсе - Curiosity нашёл борные жилы, это вообще значимо в контексте промышленных объёмов?

3. Есть ли смысл рассматривать бор в составе хондритового вещества астероидов как промышленный ресурс?

Спасибо!

[Капитан Бутан]

А что по свинцу? 

В спектрах LRO-LAMP помимо ртути и серебра есть данные о регистрации сигнала наличия золота, цинка и мышьяка. Самые достоверные сведения относительно ртути, она точно есть и её точно много. По другим сравнительно летучим металлам сведений нет. Свинец тоже теоретически может там накапливаться, как по тому же механизму, что и серебро (если относительно сигнала по золоту там все не так достоверно, то сигнал наличия серебра в кратерах вечной ночи точно есть), так и, в принципе, могло идти накопление радиогенного свинеца через радон.

Но в спектрах свинец не обнаружен, получается? А ведь через радон он прямо хорошо должен накапливаться, у атома радонп есть 3 дня чтобы попасть на полюс. Как же так? А может тогда радон адсорбируется в грунте в местах газовыделения и искать нужно там?

[AlexV]

1. Где в Солнечной системе помимо Земли реально искать бор в таких количествах - астероиды типа B и C, кора Марса, что-то ещё?

Бор - достаточно редкий элемент, но не имеющий яркой тенденции концентрироваться ни в силикатах, ни железном ядре. Т.е. в планетах особо не всплывает и не тонет, а распределен по их веществу более-менее равномерно.

В углистых хондритах его содержание - 5 - 9 ppm. В породах Земли: ультраосновные - 1 ppm, основные (морские базальты) - 5 ppm, кислые (континентальные граниты) - 15 ppm.

Главной геохимической особенностью являеются достаточно растворимые и подвижные в водной среде бораты. Бор, несмотря на свою редкость, относится к элементам, которые формируют собственные минералы при медленном упаривании морской воды (а таких немного).

Искать его месторождения нужно там, где хотя бы какое-то время была жидкая вода. Большинство его минералов, формирующих крупные месторождния, это или эвапориты (минералы, возникающие при медленном упаривании природных рассолов) или минералы гидротермальных жил. Соответственно, кроме Земли - Марс (где на поверхности была жидкая вода). И, кстати, обратил бы внимание на ледяные спутники планет-гигантов с подледными океанами. Вот совсем не будет удивительным, что в этих подледных океанах содержание бора окажется совсем не маленьким.