Возможность плазменной переработки мусора в чистые составляющие элементы

TL:DR выполнимо? Да. Практичный? Нет.

Этот дизайн не очень надежен в его нынешнем виде по нескольким причинам.

Во-первых, плазма совсем не плотная (или, по крайней мере, ее нет в большинстве искусственных термоядерных реакторов). В термоядерном реакторе используется очень мало водорода, и поэтому, как только вы добавите мелко измельченный мусор, он, скорее всего, остынет ниже температуры порог, необходимый для термоядерного синтеза, означающий, что, по сути, вам будет так же хорошо (вероятно, намного лучше по причинам, которые я не буду вдаваться), испаряя и ионизируя свой мусор с помощью любой другой формы тепла, такой как лазер, сильный электрический ток, концентрированный солнечный свет или интенсивное излучение (которое могло исходить от термоядерного реактора) и затем пропускание его через магнитный сепаратор.

Другая проблема с низкой плотностью плазмы заключается в том, что 10-метровые твердые кубы, которые вы сжигаете, будут производить огромный объем плазмы (например, очень большой), и эта плазма не может быть высокой плотности, потому что в противном случае взаимодействие между частицами будет преобладать. и отделить будет сложнее. Это означает, что вашему заводу придется либо работать невероятно медленно, производя всего несколько граммов в год, либо отправлять плазму с огромной скоростью, а это означает, что вам понадобятся гораздо более мощные магниты, чтобы отправить их по этим извилистым путям, и они будут использовать гораздо больше. больше энергии на килограмм отправленной массы, чем было бы разумно приемлемо для любой цивилизации без чего-то вроде выработки энергии в черной дыре.

Ваш дизайн также будет страдать от проблем, связанных с двойной ионизацией. потому что он разделяется на основе конкретного заряда. Допустим, через детектор проходят два иона: углерод-12 с отсутствующим одним электроном и магний-24 с двумя отсутствующими электронами. Эти два иона будут обработаны сепаратором почти одинаково, единственное различие будет заключаться в их энергии связи, которая будет настолько незначительной, что трек должен быть почти в сто раз длиннее. Это, вероятно, всегда будет проблемой, какой бы метод ионизации вы ни использовали, если вы ионизируете его больше, вы получите двойную, одинарную и тройную ионизацию меньше, и элементы останутся позади.

При всем этом ваше устройство все еще может использоваться как ЧАСТЬ более крупной системы переработки макросов, после того как вы вынули все, что вы можете обычно (т.е. химически и физически), некоторые отходы обязательно останутся там. Это то, что вы затем пропускаете через масс-спектрометр промышленного масштаба и разделяете на составные элементы.

Огромные энергетические проблемы тоже могут быть не так уж плохи. Теоретически вся энергия уходит на многочисленные потоки быстро движущихся ионов и небольшое количество циклотронного излучения. Оба источника энергии сами по себе могут быть легко переработаны и возвращены в систему. Если вы можете перемещаться в пространстве, то, вероятно, вы также можете очень быстро генерировать много энергии.

Так что, хотя я не вижу, чтобы это стало основным способом борьбы с мусором, оно вполне могло бы стать частью более крупной системы борьбы с этим действительно надоедливым мусором, который никуда не исчезнет.

РЕДАКТИРОВАТЬ: что касается ваших бонусных баллов. Размер может сильно различаться, в целом, более крупные установки будут более успешными в более чистом разделении элементов и их будет легче обслуживать, в то время как меньшие заводы будут перерабатывать отходы быстрее, но их может оказаться намного сложнее построить.

Наилучший сценарий потребления энергии - это энтальпия образования отходов, которая для любой космической цивилизации в основном равна 0, скорее всего, она будет определяться скоростью, с которой необходимо потреблять отходы, эффективностью их технологий, элементным составом их отходы и тысячи других переменных, о которых мы не знаем.

он очень хорошо масштабируется, на самом деле, я бы посоветовал строить эти заводы в глубоком космосе, где вакуум дешев, и вы можете распространяться так далеко, как хотите.

Элементарные выходы сначала будут отправлены через соленоид, чтобы энергия могла быть переработана из быстро движущихся потоков материи, теперь медленные элементарные лучи могут быть просто отправлены на электроды, которые будут извлекать энергию из заряда ионов. В случае с газообразными элементами это будет намного сложнее, для реактивных элементов я бы посоветовал использовать кальциевый электрод, из которого вы затем используете электролиз для извлечения газа. Благородные газы будут тяжелее, но не невозможно. Возможно, вам придется сжечь их в каком-нибудь растворителе, в котором они растворяются (возможно, в чистом битуме), а затем извлечь их позже.

Скорее всего

Вероятно, это сработает. Центрифуги используются для обогащения урана (то есть отделения U-235 от U-238), превращая его в газ, а затем используя тот факт, что два изотопа имеют разный вес, поэтому, когда вы их вращаете, они будут двигаться с разной скоростью. Это, кажется, использует аналогичную идею.

Было бы чудовищно спроектировать и сделать его способным выполнять любой элемент. Но если сегодня у нас есть центрифуги для газообразного урана, то центрифуга для плазменного распада вполне возможна, даже если она достаточно чувствительна, чтобы быть универсальным дизассемблером. Скорее всего, потребуются десятилетия или столетия технологического развития по сравнению с тем, что мы имеем сегодня, но если ваша история достаточно далеко в будущем, это не проблема.

Эффективность : Превращение вещей в плазму требует затрат большого количества энергии. Этому заводу, вероятно, потребуется ядерный реактор, вероятно, сильно оптимизированной конструкции, который напрямую преобразует мусор в плазму в требуемых объемах и лишь случайно производит достаточно обычной энергии, чтобы поддерживать свою работу.

Метод сдерживания : выходы элементов, скорее всего, будут недостаточно энергичными, чтобы подвергаться ядерным реакциям, поэтому вы можете просто выстрелить ими в камеру, полную воды (по одному на каждый элемент). Это затормозит ионы настолько, что они остановятся в сосуде и превратятся обратно в обычные атомы. Это выпустит черенковское излучение (которое вы, вероятно, сможете использовать для выработки энергии, несколько повысив эффективность). Атомы будут реагировать с водой; только благородные газы любят оставаться в незащищенных элементарных состояниях (неважно, что они насильственно «высвобождают» электроны, чтобы пополнить свои собственные истощенные оболочки), поэтому вам нужно будет использовать обычные химические процессы, чтобы очистить их.

[Отказ от ответственности: я не физик. Кто-то, кто может, может придраться к этому.]

Хорошо, что у вас есть термоядерные установки.

Потому что вам понадобится много энергии. Решающее значение имеет энергия ионизации всех элементов. Поскольку плазма содержит обычные элементы, лишенные своих электронов, в каждый куб мусора необходимо будет накачать достаточно энергии, чтобы высвободить достаточное количество электронов для образования плазмы.

Энергия, необходимая для возбуждения/плазменного превращения 10 м ^ 3 случайного мусора, будет огромной. В нижней части давайте продолжим рассматривать водород. Для полной ионизации требуется 1312 кДж/моль. А вот с водородом легко. Это уже газ.

Железо сложнее. Это твердое тело и не дает энергии при синтезе. Энергия ионизации железа составляет 762,5 кДж/моль для первого электрона. После этого энергии ионизации быстро возрастают для каждого электрона.

Я не знаю, нужно ли нагревать железо до кипения, прежде чем оно сможет превратиться в плазму. Если это произойдет, то потребности в энергии для этого реактора будут ошеломляющими. Принимая линейные значения удельной теплоемкости при всех температурах 1 кг железа равными 449 Дж/кг К; Чтобы вскипятить 1 кг железа, требуется 1407166 Дж. Добавьте теплоту испарения, и это станет еще дороже.

Соображения по проектированию реактора

Есть пара вещей, которые вам нужно учесть в этом реакторе.

• Не позволяйте плазме ни к чему прикасаться. В литературе я встречал температуры в 30 000 Кельвинов. При обсуждаемых энергиях температуры плазмы могут быть значительно выше. Обычная материя плохо работает при попадании в нее атомов высокой энергии. Это давняя проблема разрабатываемых сейчас термоядерных электростанций.

• Это не топливо. Все железное и более тяжелое не дает энергии при плавлении.

• Для подачи холодного вещества в этот реактор потребуются смехотворно высокие потоки энергии. Каждые 10 м ^ 3 нужно будет нагреть до температуры плазмы, которая будет сильно различаться от куба к кубу. Когда масса покидает плазменную камеру, ей требуется тепловая энергия, которая должна быть восстановлена ​​для поддержания плазмы.

• Реактор должен содержать продукты быстрого расширения газовой фазы. Вода расширяется в 1700 раз, когда превращается в пар. Другие твердые тела или жидкости могут расширяться еще больше. Реактор должен содержать не только расширяющиеся газы, но и высокоскоростные куски произвольной массы, ускоряемые этими продуктами. Другими словами, без предварительной обработки каждый куб представляет собой осколочную бомбу объемом 10 м^3.

• Остерегайтесь действительно едких элементов, таких как фтор и хлор. Эти элементы неплохи, когда связаны с другими элементами при комнатной температуре, но этот реактор не обычный. Придется принимать особые меры предосторожности, иначе реактор может съесть себя.

Компромиссы дизайна

Ладно, значит, как-то работает реактор. Он отделяет каждый элемент и не разрушает себя. Вы потратили огромное количество энергии, чтобы получить очень горячий газ. Отличная работа!

Однако теперь у вас есть большое горячее облако случайных элементов, которые нужно отсортировать, охладить и превратить в продукты, которые можно продать. Как вы будете их сортировать? Как вы предотвратите бесполезные химические реакции, когда атомы остынут?

Проведя небольшое исследование углеводородной плазмы, я могу без сомнения сказать, что эта область безумно сложна и очень трудна в управлении, даже с одноэлементной плазмой. Этот реактор должен принимать все элементы в любом соотношении и количестве. Это руководство в формате pdf для реального плазменного калькулятора, который вычисляет только одноэлементную плазму. Все эти входные переменные будут меняться между партиями и, возможно, внутри каждой партии.