Железо и алюминий — два наиболее распространенных металла в земной коре. Хотя мы не можем знать наверняка, что мы найдем в качестве сырья, когда начнем строить заводы в космосе, если мы предположим, что железо и алюминий легко доступны, будет ли с одним из них работать легче, чем с другим?
Из этого ответа мы знаем , что и железо, и алюминий имеют схожие проблемы с долговечностью и окислением в космическом вакууме. Несмотря на то, что алюминий гораздо чаще встречается в земной коре , он был вторым из двух, широко используемых из-за сравнительной сложности плавки.
Кажется, что можно использовать солнечную печь , но я не уверен, с чего начать поиски того, как или какое сырье лучше всего подойдет в качестве нашего первого строительного материала из космоса.
Железо обычно используется для производства стали, и я буду обращаться к железу в данном вопросе как к стали.
Вам нужно феноменальное количество электричества, чтобы плавить алюминий самым распространенным методом здесь, на Земле.
Сталь, с другой стороны, требует тщательного управления добавками для обеспечения необходимой прочности и других характеристик. Сталь с избытком углерода хрупкая, а с недостаточным — слабая. Чаще всего это достигается за счет использования особого вида угля, называемого коксующимся углем . Производство стали требует огромного количества кислорода, так как вы сжигаете кокс, чтобы нагреть руду и насыщать кислородом, а затем выжигаете кислород из стали, чтобы выжечь примеси, которые производят огромное количество тепла, которое необходимо отбрасывать. к окружающей среде.
Ни с одним из них было бы нелегко работать на космическом корабле из-за проблем с теплом и кислородом. На поверхности планеты/луны/чего-то было бы легче работать с алюминием из-за зависимости стали от других минералов и огромной потребности в кислороде/топливе. Алюминий чаще всего выплавляют, и единственными основными затратами являются бокситы и электричество. Для производства стали требуется уголь, кислород, железо и другие микроэлементы, такие как хром для нержавеющей стали.
Текущие процессы производства железа и алюминия зависят от гравитации:
Железо и алюминий очень распространены на Земле, но их можно добывать из-за того, что в определенных местах каждый металл сконцентрирован в достаточном количестве, чтобы сделать добычу жизнеспособной. Разница между месторождением полезных ископаемых и рудным телом заключается в экономике. Месторождение, содержащее 15 процентов железа, нерентабельно, но месторождение, содержащее 66 процентов, потенциально рентабельно, в зависимости от количества любых сопутствующих нежелательных элементов (рудных минералов), таких как алюмосиликаты и фосфор.
Один из вопросов выплавки Fe и Al в космосе — какие минералы каждого металла будут выплавляться. Разная минералогия диктует разные методы плавки. Большинство открытых рудников в Бразилии и Австралии производят смешанный продукт железной руды, содержащий около 60 процентов железа. Швеция добывает железную руду из-под земли, которая содержит 35 процентов железа. Это связано с тем, что они добывают различные минералы железа: в основном богатые гематитом руды в Бразилии и Австралии и преимущественно магнетит в Швеции.
В космосе могут быть обнаружены минералогии, неизвестные на Земле.
Общий процесс получения расплавленного металла таков: Добывать минералы, содержащие металл Концентрировать необходимые минералы и удалять как можно больше пустой породы Плавить концентрированные минералы для получения металла На каждом этапе образуется свое количество отходов и продукта. Если плавка ведется в космосе, что делать с отходами плавки?
Наиболее вероятно, что любые концентрированные формы металлов, доступные для выплавки, будут найдены в глыбах, подобных астероидам нашей Солнечной системы или на планетах или лунах. Для любого космического плавильного завода транспортировка сырья потребует много усилий, оборудования и энергии. Наиболее приемлемым вариантом было бы иметь плавильный завод на планете / луне для минералов планеты / луны.
Другие вещи, которые следует учитывать: почему вы хотите основать плавильню железа или алюминия в космосе? Что и где будет использоваться его продукт? Будет ли плавильный завод работать непрерывно или периодически в течение всего срока его службы, и каков будет срок службы плавильного завода? Ожидаете ли вы, что организация, владеющая плавильным заводом, будет эксплуатировать его с прибылью? Или это будет государственная инфраструктура, которая будет использоваться исключительно для развития науки?
Одна из проблем, связанных с выплавкой алюминия, заключается в том, что при наших нынешних методах плавки на Земле требуется много электроэнергии, и только когда электричество стало производиться в промышленных масштабах, алюминий стал более доступным.
Возможно, 3D-печать может быть вариантом для железа и алюминия, как сейчас это делается для титана: http://www.smh.com.au/technology/sci-tech/csiro-builds-sophie-a-dragon-20140110-30lpf. HTML
Железо в космосе можно получить из подходящих астероидов , поэтому его вообще не нужно «плавить» (восстановление из оксида). Элементарный алюминий обычно не встречается.
Астероидное железо, вероятно, потребует некоторой обработки, чтобы сделать его высококачественным конструкционным материалом. Было предложено много идей по добыче и обработке этого материала, но я не знаю каких-либо действительно подробных исследований или экспериментов. Можно было бы представить плавление астероида подходящего размера, плавающего в космосе, с помощью солнечного концентратора, но он, несомненно, не плавился бы плавно из-за наличия карманов из других материалов, поэтому вам нужен был бы способ ловить летящие докрасна куски железа. выключен, когда что-то разбилось. В качестве альтернативы можно сначала размолоть камень, магнитным способом отделить железо от всего остального и надеяться, что удастся плавить порошок более аккуратно.
Для большинства целей может быть лучше просто нарезать материал лазером или пилой и использовать его «как есть», добавляя толщину, чтобы компенсировать его плохие механические качества.
С алюминием намного сложнее. На этой веб-странице обсуждается ряд подходов к извлечению металлического алюминия на Луне, большинство из которых требуют дополнительных материалов в качестве исходных материалов, которые было бы сложно переработать. Другие металлы, такие как магний, могут быть легче извлечены.
Важно понимать особые проблемы, создаваемые земной атмосферой, которые в такой степени не присутствовали бы на других телах.
Вначале в атмосфере Земли было очень мало свободного кислорода. Через некоторое время появились организмы, способные к фотосинтезу, и начали генерировать свободный кислород. Растворенное железо прореагировало с этим кислородом и выпало в осадок из ранних океанов, превратившись в современные жилы железной руды, которые используются сталелитейной промышленностью. Другими словами, большая часть железной руды, которую мы используем сегодня, является результатом взаимодействия с богатой кислородом атмосферой.
Первым видом железа, используемого людьми, было метеоритное железо . Не просуществовав достаточно долго, чтобы окислиться атмосферой, он мог быть превращен непосредственно в инструменты. Теперь должно быть ясно, что одним из преимуществ пребывания в космосе является возможность найти железо и другие металлы, которые вообще не подвергались окислению, и, возможно, из них можно было бы формировать детали, просто расплавляя их. Качество может быть не таким высоким, но если оно достаточно дешевое, это может не иметь значения для некоторых целей, таких как космические станции, где более толстая металлическая стенка (для компенсации более слабого металла) обеспечит дополнительное экранирование.
Мне приходит в голову, что двумя основными препятствиями для вакуумной плавки, представленными здесь, являются постулируемые требования к мощности для плавки Fe и/или Al, а также гравитационная среда этой плавки.
Если рассматривать их по порядку, то вывод о том, что Солнце генерирует и излучает на несколько порядков больше энергии, чем мы могли бы использовать за несколько жизней, является в значительной степени предрешенным. Использование этой солнечной энергии через солнечный коллектор или зеркальное преломление решит эту проблему.
Во-вторых, центростремительная и/или центробежная сила за счет вращения плавильной печи решит проблему гравитационного отделения отходов от продукта.
В случае с выплавкой железа или, скорее, стали, почему бы не взять пример из электронной промышленности? Используйте метод, аналогичный легированию кремниевых пластин, для достижения желаемых электрических путей, за исключением того, что вместо этого вводите тщательно отмеренные количества элементов и минералов в расплавленное железо, чтобы получить необходимую или требуемую марку / качество стали.
Другая идея/предложение заключалась бы в том, чтобы тигель был изготовлен из керамических смесей, устойчивых к высоким температурам, чтобы предотвратить поглощение углерода, характерное для использования графитового тигля.
Охотник на оленей
Джеймс Дженкинс
ТильдалВолна
Джек
Уве