 |
Циклический процесс восстановления оксидов и силикатов метаном.
|
|
|
|
Оглавление
Аннотация стр. 3
Введение стр. 4
Глава 1
1.1 История исследования Луны стр. 4
1.2 Лунная база – планы и разработки стр. 5
1.3 Сложности обитания на Луне стр. 7
Глава 2
2.1 Необходимые количества кислорода и воды стр. 8
2.2 Искусственная газовая атмосфера стр. 9
2.3 Получение кислорода из грунта стр.9
2.4 Получение воды стр. 12
2.5 Обеспечение лунной базы энергией стр. 13
2.6 Схема лунной базы стр. 13
Выводы и практические рекомендации стр. 14
Заключение стр. 15
Список литературы стр. 16
Приложения стр. 17
Аннотация
В последние годы возобновляются планы полета к Луне и организации на ней постоянно действующей базы. Одним из самых сложных вопросов в организации быта космонавтов в этом случае станет снабжение их кислородом и водой. В литературе предлагается несколько методов получения кислорода из лунного грунта. Автор проанализировал предложенные методы, и, выбрав метод вакуумного пиролиза реголита, провел расчеты, используя химические уравнения разложения оксидов, составляющих лунный грунт, количества кислорода, необходимого для автономного существования базы, при этом часть кислорода будет использоваться для создания искусственной дыхательной смеси, вторым компонентом которой будет гелий, доставляемый с Земли, а другая часть кислорода в топливных элементах будет использоваться для получения воды, а сами топливные элементы будут являться источником электрической энергии на базе. В этом случае также проведены расчеты, на основании химического уравнения реакции получения воды.
В работе приводится модульная схема лунной базы.
Объем работы 20 стр., 2 рисунка, 4 приложения, список литературы 6 наименований.
|
|
|
Введение
В последние годы все «космические державы» обсуждают проблему освоения Луны, постройки лунной базы, по крайней мере, для изучения проблем происхождения, эволюции и современного состояния Солнечной системы в целом и ее отдельных объектов; решения проблем, которые могли бы способствовать пониманию глобальных вопросов природы Земли; понимания существующих в природе соотношений химической и физической эволюции тел Солнечной системы и процесса зарождения жизни, но одной из самых важных проблемой, с которой может столкнуться экспедиция при освоении Луны – это отсутствие кислорода и воды. Именно с этой проблемой связана данная работа.
Целью данной работы является:
Оценить возможность обеспечения лунной базы кислородом и водой из реголита.
Перед автором стояли задачи:
· Рассчитать необходимое количество кислорода для обитателей лунной базы;
· Рассчитать необходимое количество воды для обитателей лунной базы
· Предложить схему устройства базы и схему размещения на ней предложенных установок.
Глава 1
1.1 История исследования Луны
Человечество проделало долгий, сложный путь в исследовании Космоса, а в частности Луны.
Луна привлекала внимание людей с древних времён, но только с открытием телескопов ученые смогли исследовать детали рельефа Луны. Новым этапом исследования Луны стало применение фотографии в астрономических наблюдениях. Это позволило более детально анализировать поверхность Луны. С началом космической эры количество наших знаний о Луне значительно увеличилось. Был доставлен на Землю и изучен лунный грунт, составлена карта обратной стороны Луны.
Впервые Луны достиг советский космический корабль «Луна-2» 13 сентября 1959 года.
Если раньше люди только мечтали о том, чтобы побывать на Луне, то 21 июля 1969 года человек ступил на поверхность Луны – это был американец Нил Армстронг.
|
|
|
После окончания советской космической программы «Луна» и американской «Аполлон» исследования Луны с помощью космических аппаратов были практически прекращены, но в начале XXI века Китай, а следом за ним США, Япония и Россия заявили о необходимости освоения Луны.
1.2 Лунная база – планы и разработки
Идея использования Луны в качестве сырьевой базы и составной части инфраструктуры земной цивилизации выдвигалась еще в трудах К.Э.Циолковского.
Технически конкретные и современные по научному подходу описания проектов лунной базы стали появляться после 1946 г. Проекты рассматривали различные варианты лунных жилищ.
С.П.Королев говорил: "Организация на Луне постоянной научной станции, а впоследствии и промышленного объекта позволит использовать те нетронутые и еще неизвестные ресурсы этого наиболее близкого к нам небесного тела для науки и народного хозяйства".
Детальное планирование лунной базы в США началось после принятия решения о реализации программы "Аполлон" в 1961 г.
Многие ученые планировали, что на Луне будут созданы многочисленные лаборатории, в которых будут проводиться эксперименты и астрофизические исследования, невозможные на Земле. На базе лунных ископаемых будут построены новые промышленные предприятия. С деятельностью человека на Луне будет связано огромное количество новых проектов, а освоение Луны потребует совершенно необычных решений в сфере транспорта и строительства.
В связи с проблемой массовых перевозок логичным путем ее разрешения с точки зрения современной техники могло быть создание аэрокосмического самолета, в котором путешественник начнет свою лунную экспедицию в сооружении, похожем на современные аэродромы для сверхзвукового транспорта. Пассажирское кресло в аэрокосмическом самолете будет находиться внутри герметичной капсулы, предназначенной для спасения пассажира в случае аварии во время полета.
Рис. 1. Космодром будущего [1]
Реактивные двигатели аэрокосмического самолета будут работать на водороде, получаемого из соленых морей на Земле. Позже на самой Луне появятся, как надеются ученые, установки по добыче топлива для космического транспорта.
|
|
|
Лунная станция будет представлять собой комплекс из отдельных камер и кабин, напоминающий небольшой город. Этот комплекс сможет «расти» за счет пристроек. Этот «город» будет разбит на множество отсеков, например, пассажирский, спальный, рабочий и пр. Помимо основного комплекса на Луне будет промышленный автономный комплекс.
Рис. 2. Промышленный автономный комплекс [1]
Создание станции — не только вопрос науки и государственного престижа, но и коммерческой выгоды, поскольку редкий изотоп гелий-3, который в большом количестве присутствует в лунном грунте, может быть использован в земной ядерной энергетике для запуска термоядерной реакции. На Луне есть и разнообразные полезные ископаемые, ценные для промышленности металлы. Глубокий вакуум и наличие дешевой солнечной энергии дает возможность развитию электроники, литейного производства, в том числе получение сверхчистых сплавов, металлообработки.
1.3 Сложности обитания на Луне
Люди с самого начала освоения Луны столкнутся со сложностями, которые в дальнейшем могут перерасти в серьезные проблемы.
Одной из проблем являются метеориты, которые из-за отсутствия на Луне атмосферы беспрепятственно осыпают ее поверхность.
Так же нужно обратить внимание на резкие перепады температур (на экваторе от −173,15 °C до 116,85 °C), к которым человек не приспособлен.
В разряд проблем следует отнести отсутствие кислорода, воды, питания, а также космическая радиация. Впервые распределение нейтронного излучения на поверхности Луны было проведено исследовательским аппаратом Lunar Prospector, отправленным NASA в 1998-1999 годах. На низкой околоземной орбите космонавты получают защиту от космического излучения магнитным полем Земли. Эти космические лучи представляют опасность для жизни. Наиболее серьезный вызов – это солнечные вспышки, которые космонавты должны будут пережить, находясь на Луне. Уровень радиации может увеличиваться практически неограниченно, и незащищенные космонавты могут получить смертельные дозы в течение всего лишь нескольких минут.
|
|
|
Для решения представленных проблем, автор предлагает обустроить лунную базу под слоем грунта, это позволит избежать резких перепадов температур, защитит от микрометеоритов и от солнечной радиации. Что касается наличия кислорода и воды, то они будут добываться на поверхности и по газопроводам поступать непосредственно на базу.
Глава 2
2.1 Необходимые количества кислорода и воды
Оценим необходимое количество кислорода и воды в сутки обитателю лунной базы.
Физиологи подсчитали, что в состоянии так называемого «основного обмена», т. е. при полном покое, при расслаблении мышцы, при максимально возможном отключении внешних раздражителей и в соответствующих температурных условиях человек потребляет в одни сутки приблизительно 500 граммов кислорода.
Известно, что для одного человека на космическом корабле в течение одних суток требуется минимум около 700 граммов продуктов питания, 2,5 литра питьевой воды и около 5,5 литров санитарно-бытовой воды [2].
2.2 Искусственная газовая атмосфера
Нормальная жизнедеятельность и работоспособность человека в условиях космического полета обеспечиваются благодаря использованию герметических кабин регенерационного типа, в которых до полета или во время полета устанавливается, а затем на протяжении всего полета поддерживается искусственная газовая атмосфера (ИГА). По химическому составу ИГА может состоять только из одного газа (О2), двух газов – О2 и какого-либо биологически индифферентного газа, или, наконец, в ее состав, помимо О2, могут входить несколько индифферентных газов (Н2, Не, Ne, Аг N2). Отечественные исследователи избрали ИГА, близкую по основным параметрам (давлению и газовому составу) к нормальной земной атмосфере, и тем самым создали для космонавтов при нормальных режимах полета достаточно хорошие условия обитания.
В условиях космического полета, когда размеры станции не велики, разницей веса азота и более легких газов: водорода или гелия, составляющих ИГА можно пренебречь, но для существования лунной базы, по нашим оценкам имеющей объемы порядка 15625 куб. метров это становится существенным. Из литературы известно, что пребывание в гелиокислородной среде в течение нескольких месяцев, не вызывает у испытуемых сколько-нибудь существенных изменений самочувствия и не оказывает неблагоприятного влияния на обмен веществ, дыхание, кровообращение и центральную нервную систему. Достоинством использования гелия, как второго компонента атмосферы может являться и тот факт, что атомы гелия устойчивы к действию различных видов радиации. Эксперименты по изучению барометрического давления ИГА показали, что давление порядка 300 мм.рт.ст. может считаться оптимальным, поскольку оно еще достаточно высокое (соответствует высоте 7000 м), но позволяет обеспечивать герметичность на базе с технической точки зрения проще, чем при нормальном давлении, кроме того удобно в случае необходимости использования скафандров с низким давлением [6].
|
|
|
Исходя из приведенных литературных данных рассчитываем состав ИГА для лунной базы из двух компонентов кислорода (парциальное давление 200 мм. рт.ст.) и гелия (100 мм.рт.ст), при этом мольное соотношение кислорода и гелия 2:1. При объеме базы 15625 куб. метров, для заполнения ее кислородом, потребуется 10417 куб.метров кислорода, это составляет 465045 моль или 14881 кг, а гелия 930 кг. [2]
2.2 Получение кислорода из грунта
Лунный грунт был доставлен на Землю американскими астронавтами и советскими автоматическими станциями и хорошо изучен. Результаты лабораторных анализов образцов лунного грунта показали, что, он состоит в основном из оксидов, причем наиболее распространенным является диоксид кремния (SiO2). Также здесь присутствуют в больших количествах оксиды кальция (CaO), железа (FeO) и магния (MgO). [3]
Массовая доля кислорода в грунте составляет примерно 40%.
В литературе предложены разнообразные методы химического извлечения кислорода из реголита в виде газа кислорода или воды. Приведем некоторые из них:
1.Циклический процесс восстановления оксидов и силикатов метаном.
2.Вакуумный пиролиз.
3. Восстановление оксидов угарным газом.
4.Электролиз расплава лунного грунта при температуре 1500оС
Подробнее остановимся на первых двух методах.
Циклический процесс восстановления оксидов и силикатов метаном.
Стадия
MSiO3 +2CH4 =2CO +4H2 +Si +MO (Температура 1650оС)
Где M – металл
2 стадия
CO +3H2 =CH4 +H2O (Температура 250оС, катализатор)
3 стадия
Электролитическое разложение воды
2H2O =O2 +2H2
В этом процессе расходуются силикаты и энергия, полезный продукт кислород. Для запуска процесса необходимо завезти с Земли некоторое количество метана и водорода [5].
Вакуумный пиролиз.
2MO =O2 +2M (температура 2800оС)
Где M – металл
Проанализировав предложенные способы получения необходимых компонентов жизни, мы предлагаем выбрать за основу реакцию пиролиза силикатов и оксидов из-за более простого технологического решения, ибо если считать необходимым количеством 1 кг кислорода в день на человека, а для 10 человек 10 кг кислорода, то для их получения необходимо переработать около 100 кг грунта, (если считать практический выход кислорода порядка 50%).
Источником энергии для проведения реакции пиролиза может являться фокусированная солнечная энергия [4]. Для бесперебойной работы станций пиролиза и для ускорения процесса нагревания грунта в пиролизном баке надежнее поставить несколько маленьких пиролизных установок, с которых кислород поставлялся бы на станции сжижения, и в дальнейшем собирался и хранился в резервуарах под слоем грунта. Известно, что светлое время на Луне вблизи экватора продолжается около двух недель, за это время можно создать запаса кислорода, который использовать в темное время.
Преимущество пиролиза перед другими методами заключается в том, что, применяя этот метод не надо привозить сырье с Земли.
В качестве побочного продукта образуется шлак, который может быть использован в дальнейшем. Например, в строении отдельных корпусов лунной базы.
2.3 Получение воды
Полученный кислород может являться источником воды. Мы считаем, что наиболее оптимальным способом получения воды в данном случае является использование топливных элементов, поскольку они является источником энергии на базе и как побочный, но важный продукт дают воду по реакции O2 +2H2=2H2O [2]. Из литературы известно, что на космической станции МКС топливные элементы используются для выработки электроэнергии и дают воду, которую экипаж использует. Для работы топливных элементов необходим водород, если считать, что на одного человека в день приходится около 10 кг воды, то для базы с 10 членами, воды должно быть 100 кг, т.е. 90 кг кислорода и 10 кг водорода будут расходоваться в день на получение воды, понятно, что водород может быть получен только с Земли. На Луну его можно доставлять в сжиженном состояние, в таком же виде его хранить непосредственно на Луне под слоем грунта.
2.4 Обеспечение лунной базы энергией
Снабжение лунной базы энергией – является проблемой, которую обсуждают в современной космонавтики.
Автор предлагает для получения электрической энергии пользоваться топливными элементами, которые в последние годы совершенствуются и используются все более активно, благодаря экологичности, ведь побочным продуктом их работы является только вода [2].
Для работы пиролизных установок предлагаем использовать фокусированную солнечную энергию.
Как источник дополнительной энергии использовать солнечные батареи, ведь они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.
2.6 Схема лунной базы
В своей работе я предлагаю построить лунную базу из кубических модулей, материал для которых на первых этапах нужно поставлять с Земли, а позже вырабатывать его из шлаков, которые будут вторичным продуктом в работе пиролизных установок.
База будет представлять собой пятиярусный куб 25х25м. Каждый уровень будет разбит на 25 отдельных отсеков, размерами 5х5м. Любой из ярусов будет обеспечен крестообразным коридором. Каждый уровень базы будет выполнять свои собственные функции.
Пятый уровень, самый нижний, будет представлять собой «сердцевину» всей базы. В нем будут находиться: установка по смешиванию газов, и различные газопроводы, ведущие из хранилищ в базу.
Четвертый уровень будет «жилым районом». В нем будут находиться четыре общих комнаты и двенадцать персональных комнат космонавтов (это из расчета, что экипаж будет составлять 10 человек).
Третий уровень будет являться «зоной отдыха и здоровья». На этом ярусе я предлагаю устроить оранжерею и комнаты отдыха, например, со спортивным инвентарем.
Второй уровень – это «склад». Здесь будут располагаться пищевой и бытовой и другие склады, которые займут немалые пространства.
И самый верхний уровень, первый, - это «рабочий уровень». Здесь космонавты будут проводить работы, которые можно делать непосредственно в здании базы
Для обеспечения всей базы энергией, водой и атмосферой я предлагаю сделать «служебные коридоры» размерами 1,5х1,5м (этот размер позволит человеку в случае поломки вручную устранить ее), которые будут делить блоки на две неравные части, находясь над потолком каждой отдельной комнаты, таким образом у всей базы будут двойные потолки. «Служебные коридоры» всех ярусов будут соединяться служебной шахтой, которая будет пронизывать вертикально всю базу.
Также для удобства членов экипажа на базе будет шахта лифта, соединяющая все этажи.
Для создания герметичности я предлагаю использовать рулонные или листовые материалы для герметизации каждого блока отдельно.
Такая конструкция базы позволит ей за счет пристроек расширяться во все стороны.
Выводы и практические рекомендации
Для лунной базы из 10 человек предлагается построить пятиэтажное модульное жилище размерами 25х25 метров под слоем грунта. Для заполнения этого жилища искусственной атмосферой, составленной из кислорода и гелия в мольном соотношении 2:1 под давлением 300 мм.рт.ст потребуется 14881 кг кислорода и 930 кг гелия. И гелий и часть кислорода должны быть доставлены с Земли, а в дальнейшем кислород будет производиться на пиролизных установках в количестве 100 кг в день (10 кг из них будут обогащать искусственную атмосферу, а 90 кг будут использоваться для получения воды). Воду предлагаем получать как регенерацией, так и на топливных элементах, используя водород, из расчета 10 кг в день, доставленный с Земли. Сами топливные элементы будут являться источником электрической энергии на станции.
Для дальнейшего развития темы планируется детально проработать планы постройки лунной базы, изучения других способов получения необходимых компонентов жизни, в том числе питания.
Заключение
В результате проведенного литературного поиска и проделанных вычислений, автор приходит к выводу о принципиальной возможности получения кислорода из лунного грунта. Лунная база, на которой люди будут находиться длительное время, должна давать необходимый уровень удобств, который автор предусматривает.
Освоение Луны, которое сегодня кажется фантастическим проектом, завтра может стать необходимостью.
Список литературы
1. Космическая эра прогноз на 2001 год /Б.Эуген, В.Максвелл (перевод Емельянов В.С.). –М.:«Мир», 1970. 420с.
2. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия/Глав.ред.В.А.Володин.-М.:Аванта+,2000.-640с.
3. Викторов С. В. и Чесноков В. И. Химия лунного грунта:-М., «Знание», 1978. 64 с.
4. Еськов Ю. М. Экологически чистая мировая энергетика и космонавтика в 21 веке.-М, 2005.-144 с.
5. Маккатчен Р.Т.Производство на Луне. Журнал Химия и жизнь №1, 1967 стр. 23-26.
6. Гора Е.П. Экология человека.- Издательство: «Дрофа», 2007.-540 с.
Приложение 1.
Химический состав реголита
Приложение 2.
Схема газопроводов
Приложение 3.
Схема лунной базы. Общий вид.
Приложение4
Схемы уровней.
 | ||||||||||
 | ||||||||||
 | ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
 | ||||||||||
|
|
|
