Я думал о том, как оправдать практический полет на воздушном шаре для доиндустриальной цивилизации, когда вспомнил, что некоторые микроорганизмы производят метан , а еще лучше — водород .
Это заставило меня задуматься, правдоподобно ли постулировать создающий водород микроб, который мог бы производить достаточно подъемного газа для дозаправки воздушного шара даже в полете?
В этой схеме воздушный шар будет держать легкий топливный бак, прикрепленный к оболочке шлангом. Резервуар будет заполнен микробами и их пищей (углеводороды, биомасса, все, что они любят есть). Затем микробы производят газообразный водород. Чтобы подняться, вы добавляете больше топлива. Чтобы спуститься, вы выпускаете немного водорода. В зависимости от источника топлива, которым питаются микробы, торговые города могут также выращивать колодцы, полные микробов, где могут наполняться меньшие воздушные шары.
Теперь о возможных проблемах:
Во-первых , я не знаю, может ли какой-либо организм реально производить необходимый объем газообразного водорода. Я знаю, что водородный шар поднимает около 68 фунтов на 1000 кубических футов. Я также знаю, что эффективность метаногенеза (это лучший пример гидрогенеза, который у меня есть) может быть довольно высокой, и я видел цифры от 20% до 80% . Но даже с каким-то невероятно эффективным микробом я понятия не имею, как рассчитать кубические футы водорода, которые можно получить из данного источника топлива.
Во-вторых , хотя это и менее важно, я также не знаю, может ли какой-либо микроб физически генерировать газ достаточно быстро, чтобы позволить разумно контролируемые изменения высоты.
В-третьих , даже если все это (буквально) полетит, мне нужно убедиться, что есть причина, по которой эти микробы не вырвутся на свободу и не съедят все топливо вне бака.
Наконец, этот вопрос может оказаться очень важным для мира, над которым я сейчас работаю, поэтому, если он окажется более сложным, чем простое «нет», я также предложу награду в благодарность всем, кто ответит. мне особенно подробный ответ.
РЕДАКТИРОВАНИЕ НАГРАЖДЕНИЯ: Награда достается Дубукаю. В целом на этот вопрос было получено много качественных ответов, так что всем спасибо!
Как вы указали в своем вопросе, водород — лучший подъемный газ, который у нас есть. Таким образом, это становится вопросом: «Какой наиболее эффективный биологический процесс , который производит H « Ответ, конечно же, водоросли .
Обычно водоросли получают энергию за счет фотосинтеза, потребляя солнечный свет, воду и углекислый газ для производства АТФ, сложных сахаров и кислорода. Однако при правильных условиях (мамбл-мамбл-мамбл -ограничение серой гетероцисты бормочут) некоторые водоросли перейдут в метаболическое состояние « анаэробного оксигенного фотосинтеза ». В этом состоянии кислород, образующийся в результате фотосинтеза, используется клеткой для собственного дыхания, создавая бескислородную среду, которая, в свою очередь, запускает производство газообразного водорода.
Это означает, что водоросли могут производить H газа почти непосредственно из протонов. Более того, мы можем собирать его и уже находимся на пути к тому, чтобы сделать его рентабельной заменой ископаемого топлива . Чистая энергия в нашей жизни? Да, пожалуйста.
Однако этого недостаточно, чтобы ответить на вопрос о скорости H производство. В 2001 году компания построила 500-литровый биореактор, который мог производить поразительный 1 литр газообразного водорода в час. С таким потенциалом нашему воздушному шару понадобится удача, чтобы даже начать надуваться. Однако это был 2001 год, и это был первый год существования компании. В то время они рассчитали теоретический максимум 20 граммов водорода в день — около 10 литров в час. В 2004 году вышел обзор , в котором утверждалось, что максимум 5,45 кг H за квадратный метр в год. Это скорость ~ 7 литров в час - все еще слишком медленно. В 2011 году мы умножили этот показатель в 5 раз, создав биогибридные фотосистемы , в которых используются наночастицы платины. В 2013 году нам удалось добиться еще большего успеха и увеличить нашу эффективность в 4 раза, изменив хлорофилловые антенны , и с тех пор эта цифра была увеличена до 13 раз. Таким образом, наша текущая скорость H производительность около 450 литров в час! Конечно, это идеализированная максимальная эффективность, и мы еще не достигли ее в больших масштабах.
Так что же это означает для нашего воздушного шара? В мире, где люди полагаются на такие воздушные шары, я предполагаю, что они работают довольно близко к максимальной эффективности, возможно, 400 литров в час на квадратный метр. Конечно, с этим могут быть проблемы , но для начала это достойная оценка. Из сайта skydrifters.com мы узнаем, что средний воздушный шар весит 800 фунтов. Так как мы путешествуем и торгуем, давайте назовем это 500 кг всего. Для подъема 500 кг с помощью газообразного водорода требуется ~ 40 кг H. . При нормальном давлении и температуре воздуха он занимает объем 450 000 литров. Таким образом, нашему воздушному шару потребуется примерно 41 день, чтобы наполниться своим ходом. Это будет трудно осуществить.
Однако этот расчет показывает, что водоросли действительно могут производить достаточно газа, чтобы поднять воздушный шар, и это, безусловно, будет экологически чистым способом передвижения. Это также позволяет маневрировать в воздухе и, по сути, постоянно путешествовать по воздуху. Как только воздушный шар поднимается вверх, водоросли могут вытягивать CO. прямо из воздуха, и воздушный шар будет питаться только от света. Кроме того, вполне возможно, что города начнут возделывать поля водорослей, так что заправка в городе будет довольно простой и будет привлекать воздухоплавателей.
В воздухе такой воздушный шар будет нормально подниматься, поскольку водоросли производят газообразный водород. Кроме того, Х газ сжимается довольно хорошо, и для воздухоплавателей может иметь смысл держать на борту компрессор, чтобы улавливать любой избыток H производится для быстрой очереди в случае необходимости. Спуск — это легкая часть: проще всего будет выпустить H или сжать его на потом. Вы также можете побрызгать внутреннюю часть воздушного шара какой-нибудь неорганической серой, которая временно отключит захваченные пути фотосинтеза, или добавить кислород, который разрушит часть фермента гидрогеназы.
Ментальный образ этой системы, который у меня сложился, — очень грубый, довольно большой прозрачный воздушный шар. Внешняя мембрана должна быть сделана из полиэтиленовой пленки или другого непроницаемого легкого прозрачного материала, а непосредственно внутри должны быть слои водорослей. Любой Н произведенное наполнит воздушный шар и будет способствовать подъемной силе, тем временем вытесняя любой более плотный воздух. Поскольку микробы лучше всего живут в бескислородной среде, это даже не будет проблемой. Техническое обслуживание, по сути, будет состоять из замены питательных веществ и удаления мертвых клеток изнутри, что, вероятно, будет сделано на земле, но может быть сделано и в воздухе, если вы сможете задерживать дыхание достаточно долго.
Итак, первый вопрос. Если микроб не обязательно должен уже существовать на Земле, то нет никаких причин, по которым это невозможно.
Просто скажите, что этот супермикроб действительно существует, и в сочетании с другими методами, такими как катализатор (например, никель), он способен производить достаточно газа, чтобы это стало возможным.
Другая возможность заключается в том, что организм работает медленно, но газ со временем накапливается. Итак, скажем, чтобы наполнить новый воздушный шар до нужного давления, требуется пара недель, но если вы продолжите вкладывать ресурсы, то микроб будет просто продолжать производить и поддерживать воздушный шар наполненным. Для этого варианта потребуется материал, который действительно хорошо удерживает газ.
Во-вторых, есть и другие возможные способы управления изменениями высоты, кроме вентиляции. Если вы сожмете подъемный газ , то он будет менее плавучим, и поэтому вы пойдете вниз. вы можете поместить воздушный шар внутрь воздушного шара и накачать внутренний воздушный шар воздухом, когда захотите спуститься.
Что касается третьего вопроса, то здесь немного сложнее. Как сказал один мудрец: «Жизнь находит выход».
Можно использовать несколько механизмов самоограничения .
Я так не думаю.
Это начинает быть ракетной проблемой. Чем больше газа вам нужно, тем больше микробов и питательных веществ вам нужно для микробов, и это добавляет массу. Чтобы поднять эту массу, вам нужно произвести больше подъемного газа, для чего требуется больше микробов, питательных веществ и т. д. Если вы не можете выйти на уровень безубыточности, вы никуда не пойдете.
Кроме того, микробы хотят расти и размножаться. Они эволюционируют, чтобы быть максимально эффективными и превращать питательные вещества/энергию в биомассу с минимальным количеством отходов. В этом случае лифт-газ является отходом производства. Хотя можно создать микроб, производящий больше газа, чем биомассы, я не думаю, что вы найдете их в природе.
Кроме того, вам придется убрать этот подъемный газ от микробов. Очень немногие организмы могут выжить, погруженные в собственные продукты жизнедеятельности. В какой-то момент парциальное давление газа в воздухе вокруг микроба станет настолько высоким, что микроб не сможет выделять газ и умрет.
Микроб также должен иметь доступ к газам, которые он может поглощать. Я надеюсь, что микробы не дышат кислородом, поскольку кислород и большинство биологических подъемных газов плохо смешиваются.
Чтобы это вообще работало, я думаю, вам понадобится тонкий лист микроба с воздухом и питательными веществами на одной стороне листа и сбором подъемного газа на другой стороне. Из этого листа можно сделать сумку, если сделать лист достаточно прочным. Тем не менее, сконструированный многоклеточный организм в правильной форме будет работать лучше, чем попытка удерживать микробы в форме.
Грубо говоря, газообразный водород H 2 составляет 2 г на стандартный объем (22,4 л), а воздух, состоящий из 80% N 2 (28 г/моль) + 20% O 2 (32 г/моль), дает в среднем 28,8 г. Таким образом, два грамма водорода, вытесняя 28,8 грамма воздуха, создают 26,2 грамма подъемной силы (вероятно, немного меньше из-за того, что воздушный шар несколько сжат). Каждый грамм водорода дает нам 13 г подъемной силы.
Как мы получаем эти 2 г водорода? Нам нужно сырье с высоким содержанием водорода, то есть молекула с водородной связью с самыми легкими из возможных элементов и содержащая избыточную химическую энергию.
Доступные световые элементы включают в себя:
Наилучший вариант – предельные углеводороды. Нам нужен метаболический путь, посредством которого бактерии диссоциируют углеводород C n H 2n+2 и окисляют углерод, но не водород. В углеводородах достаточно энергии, чтобы мы не обсчитывали маленьких тварей:
Весовая доля водорода в C n H 2n+2 составляет около 14%; таким образом, из одного килограмма сырья получится 0,14 кг водорода, обеспечивающего подъемную силу 1,82 кг. Так как мы также избавляемся от одного кг сырья, которое служило балластом, общий подъемный эффект составляет 2,82 кг.
На самом деле немного, и я думаю, что это лучшее, что можно сделать. Но, возможно, этого достаточно.
Другой вариант — псевдофотосинтезирующий организм, который собирает воду из атмосферы, фотодиссоциирует ее и выделяет H 2 и O 2 . Но такой организм не имел бы в этом никакого преимущества (хотя он мог бы это сделать, когда полностью созрел и стабилизировался), потому что энергия целиком уходила бы на «отходы», а скорость производства была бы даже меньше, чем в первый случай (падающий солнечный свет должен равняться химической энергии, хранящейся в диссоциированных газах, а для водородной смеси это много энергии , в то время как солнечный свет, я думаю, составляет около 1,2 кВт на квадратный метр).
«Электролизер со 100%-й эффективностью потреблял бы 39,4 киловатт-часа на килограмм (142 МДж/кг) водорода» ( Википедия ), поэтому мы можем ожидать около 30,4 грамма водорода в час с каждого квадратного метра панели из водорослей, или около 0,4 кг подъемной силы на м 2 в час . Вероятно, гораздо меньше, потому что зеленые и голубые водоросли не поглощают всю энергию всего солнечного спектра. Учитывая вес панели из водорослей (которая нуждается в воде и поддержке), это, вероятно, означает, что это не очень перспективная дорога. Или это?
Давай все же спустимся. У «Гинденбурга» могло быть около 9000 м 2 , производящих 270 000 граммов H 2 в час при ярком солнечном свете. Это около трех миллионов литров в час, или 3024 м 3 водорода в час. Тому же Гинденбургу требовалось 200 000 м 3 водорода; это означает, что за один час мы можем заменить около 1,5% его газового содержимого в обмен на вес не менее 90 тонн (десять кг на м 2 ) или 180 000 фунтов его полезной нагрузки в 511 000 фунтов. Теоретически это выполнимо, но я думаю, что мы торопимся; все приведенные выше значения рассчитаны из самых оптимистичных обстоятельств. Вес панели 30 кг на квадратный метр (а если подумать стекло - иливодородостойкий, но тонкий и прозрачный пластик (и вода, 30 кг ближе, чем кажется) могут сделать все это математически невозможным.
Большие плоские воздушные шары могли бы повысить удобство всего этого, особенно если бы мы могли сделать их из прозрачного водостойкого пластика и поместить водоросли на внутреннюю поверхность дна. Мы по-прежнему не могли держать их открытыми (потому что нам нужно изолировать и выбрасывать кислород, который они производят). Но в этот момент возникают большие структурные проблемы, и тот факт, что у нас нет на самом деле прозрачного для солнечного света пластика, достаточно прочного, чтобы выдерживать нагрузку, который не пропускал бы водород, как сито. Но это, возможно, можно было бы убрать рукой ;-)
Я думаю «да», но с парой изменений точки зрения:
Во-первых, подумайте о дирижабле, а не о воздушном шаре: не используйте свой газ для контроля высоты, он слишком ценен, чтобы просто выпускать его. Используйте импеллеры и плоскости управления, как дирижабль, чтобы летать вверх и вниз.
Фраза «добавьте больше топлива для подъема» маловероятна... но это не значит, что они не могут создать всю необходимую подъемную силу СО ВРЕМЕНЕМ...
Что также решает проблему массы... держать под рукой колонию бактерий, достаточно большую, чтобы постоянно держать дирижабль заправленным, и увеличивать объем ради случайной загрузки тяжелого груза...
AlexP
Случайный
AlexP
Случайный
Случайный
SFWriter
Случайный
Бендл
корсика
AlexP
Случайный
Мазура
фектин