¿Cómo se pueden alimentar las naves espaciales fabricadas en la luna?

Antecedentes: La luna ha sido seleccionada como base para la exploración espacial humana. En lugar de enviar toneladas de material fuera del pozo de gravedad de la Tierra, las naves espaciales interplanetarias y las estaciones espaciales se fabricarán en la superficie de la Luna y se lanzarán desde allí.

Se ha desarrollado en la luna un nivel de capacidad industrial que permite la extracción y el procesamiento de minerales, así como la fabricación y una ciencia de materiales razonablemente buena utilizando recursos lunares. Como pauta aproximada, si un material podría haberse fabricado en la Tierra en la década de 1970, ahora se puede fabricar en la Luna un sustituto razonable en términos de propiedades del material. Si puede justificar por qué un material que excede ese estándar puede fabricarse en la luna, puede usarlo.

Nota: Para aclarar, el nivel tecnológico no necesita estar restringido a la década de 1970 (el objetivo es en el futuro pero con avances científicos mínimos adicionales). He colocado esta restricción en el nivel de la ciencia de los materiales porque el desarrollo de materiales estructurales simples (por ejemplo, acero) en la luna plantearía desafíos importantes, pero los detalles están más allá del alcance de la pregunta.

La pregunta: ¿Cómo se alimentarán estas naves espaciales fabricadas en la luna?

Criterios:

  • Cuanto más realista se base la fuente de energía en la ciencia actual, mejor: Actualmente implementado > Prototipado > En desarrollo > teórico > hipotético > imposible
  • Las materias primas deben encontrarse en la luna, con la menor masa posible importadas de la tierra. Cuanto más abundantes y fáciles de procesar sean las materias primas, mejor.
  • La respuesta debe explicar cómo la fuente de energía puede alimentar tanto la propulsión de la nave como sus otros requisitos de energía.
  • El resultado final debe ser una fuente de energía portátil para la nave espacial, con la unidad de la nave espacial y los combustibles necesarios fabricados y producidos en la luna. Se aplican los mismos niveles de credibilidad a la unidad que a la fuente de energía.

Nota: Estoy buscando la principal fuente de energía de la nave. Debido a que algunas fuentes de energía se prestan más fácilmente para proporcionar propulsión, creo que también es necesaria una explicación del sistema de propulsión utilizado junto con la fuente de energía.

Ejemplos de fuentes de poder

  • Moon fabricó paneles solares con baterías y un sistema de propulsión eléctrico.
  • motores de hidrógeno, oxígeno y cohetes fabricados en la luna.
  • Motor de propulsión nuclear preparado para el espacio hecho en la Luna

Las respuestas excelentes proporcionarán evidencia de qué tan bien desarrollada está actualmente la fuente de energía. Evidencia de cuán bien desarrolladas están las unidades que pueden funcionar con esa fuente de energía. Evidencia de minerales de cualquier materia prima crucial en la luna.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
Una combinación de propulsores que se puede obtener de la luna es aluminio en polvo y oxígeno. Para obtener información detallada, consulte el siguiente memorándum técnico de la NASA: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19940017287.pdf
Como OP, preferiría que la pregunta siguiera siendo ciencia dura. Creo que las mejores respuestas a esta pregunta cumplen con ese estándar, con enlaces a fuentes confiables para todos los puntos principales. Como la persona que hace la pregunta, estoy predispuesto a que me gusten las respuestas, incluso si no cumplen con el estándar de ciencia dura, pero creo que la ciencia dura es el estándar más apropiado para la pregunta.

Respuestas (12)

Una unidad de aluminio y oxígeno quema aluminio y oxígeno (como sugiere el nombre), logrando un impulso específico mediocre (la medida principal de eficiencia de combustible para cohetes) de aproximadamente 285 segundos . Normalmente, esto no sería de interés para su uso como combustible para cohetes, ya que las unidades actuales de hidrógeno-oxígeno, como las que se utilizan para los motores principales del transbordador espacial, pueden lograr impulsos específicos de alrededor de 450 segundos , muy superior al patético impulso específico proporcionado por el aluminio-oxígeno. combustión.

Sin embargo, la ventaja de un motor de aluminio y oxígeno es el hecho de que puede hacer que el combustible no sea más que regolito (tierra lunar y roca) y electricidad. Según este documento , la reducción del óxido de aluminio, que está presente en el regolito lunar , requiere altas temperaturas (por encima de 1832 K), que pueden ser proporcionadas por la energía solar, así como por el óxido de carbono y hierro , ambos disponibles en el lunar. regolito (aunque obtener suficiente carbono requerirá procesar una gran cantidad de mineral, y se recuperaría del CO2 después de la reacción en la mayor medida posible). Esta reducción se realizó para el documento vinculado anteriormente, por lo que está claramente en la etapa "Ya implementado".

En realidad, construir un cohete que use aluminio y oxígeno como combustible será bastante simple, ya que es esencialmente solo un cohete de propulsor híbrido bastante ineficiente , que es un tipo de cohete que ya hemos construido y volado en varios, y somos fácilmente capaces de hacerlo . construyendo más si surgiera la necesidad (la necesidad no ha surgido porque los combustibles líquidos tienen impulsos específicos más altos, pero los diversos combustibles líquidos que se usan en la Tierra son mucho más difíciles de producir en la luna, por lo que usar aluminio y oxígeno es una alternativa viable ). Así que esto está en algún lugar entre la etapa "Prototipado" (ya que todavía no tenemos una unidad de oxígeno de aluminio específicamente) y la etapa "Implementado actualmente" (porque tenemos muchos cohetes híbridos de otros tipos).

Por lo tanto, las naves espaciales fabricadas en la luna podrían ser propulsadas por un propulsor de aluminio y oxígeno, utilizando un propulsor fabricado en la luna con nada más que tierra lunar, una granja solar y algunos equipos ya construidos.

Ese es probablemente el mejor sistema para transportar cosas a la órbita lunar.
@Mranderson Debo admitir que su impulso específico abismal lo hace inadecuado para misiones más largas, sí. Las etapas superiores de las misiones largas (cualquier cosa interplanetaria, con la posible excepción de Marte) probablemente estarían mejor atendidas por algo como cohetes H2/LOX con combustible hecho de hielo lunar (ver la respuesta de ShadoCat).
¿Cómo se compararía esto con el uso de peróxido de hidrógeno, si hubiera mucho hielo de agua disponible?
@Innovine como se indica en la respuesta, el impulso específico de este tipo de unidad es abismal en comparación con todos los tipos de cohetes actualmente en uso. La abundancia de combustible, sin importar a qué parte de la superficie lunar vayas, es el principal beneficio. Hay hielo de agua disponible en la luna, pero está presente casi por completo en los polos, el peor lugar posible para lanzar un cohete. Además, existen problemas significativos con el almacenamiento de combustible y la confiabilidad de las unidades de peróxido de hidrógeno (les gusta explotar) que hacen que los combustibles de hidrógeno y oxígeno sean muy superiores en la gran mayoría de las situaciones.
Interesante, porque cuando hice una pregunta separada sobre eso, me informaron que el h2o2 era un combustible mucho mejor debido a problemas en el almacenamiento de hidrógeno a alta presión.
@Innovine, el problema principal con H2O2 es que le gusta descomponerse lentamente en H2O y O2. Esto aumenta la presión del tanque (lo que eventualmente conduce a una explosión) y también libera calor. El calor aumenta la tasa de descomposición del otro H2O2 en el tanque, lo que libera más calor, lo que hace que más H2O2 se descomponga aún más rápido y, finalmente, su tanque explota (si no está correctamente ventilado) o el combustible de su cohete termina. convirtiéndose en agua y oxígeno, que son bastante inútiles para propulsar cohetes. Para obtener más información, puede consultar el increíble libro "Ignition" de John D. Clark.
Para combustibles químicos, ¿qué hay de la mezcla de hidrógeno y flúor? Altamente reactivo, aunque tóxico y corrosivo. Ciertamente, nunca se permitiría en la Tierra, pero ¿quizás la Luna sería una estación de prueba perfecta?
@Lelu Ninguno de esos elementos es exactamente abundante en el regolito, y el flúor es extremadamente peligroso. Te recomiendo que te mantengas alejado de él si te gusta no estar en llamas.
@Gryphon Hydrogen está disponible en el viento solar que sopla hacia la Luna, ¿verdad? También sé que el flúor es peligroso, pero es por eso que lo probamos solo fuera de la Tierra, ¿no?

Un concepto de fuerza bruta que utiliza tecnología de la década de 1970 y materiales lunares:

Utilice minerales lunares para fabricar materiales reflectantes y motores Stirling . Usa estos materiales para construir plantas de energía solar térmica en la luna. Almacene la energía usando baterías de metal fundido o baterías que derriten y recongelan metales o sales , también hechas con material lunar.

Utilice tecnología de ablación de alta potencia para los cohetes. El fondo del barco es una gran pieza de metal con forma. Envía un rayo de energía intensa desde el lugar de lanzamiento hasta el fondo de la nave. Hervir el metal para proporcionar empuje. Los lanzadores terrestres que utilizan este concepto necesitarían alrededor de 3 GW de potencia. (Según " Halfway to Anywhere ", en A Step Farther Out .) Dado que la luna tiene aproximadamente 1/6 de la gravedad de la Tierra, 500 MW serían suficientes.

Puntos de bonificación si el "rayo de energía intensa" es un rayo láser, montado en un tiburón disecado. (La piel de tiburón probablemente tendría que ser importada de la Tierra).

Incluya un sistema solar térmico a pequeña escala en la nave espacial, junto con una versión a pequeña escala del sistema de batería. Envía un rayo de energía modesto desde la luna al sistema solar térmico de la nave para alimentar la nave espacial.

¿Tiene alguna referencia sobre la disponibilidad de minerales adecuados para baterías de metal fundido en la luna?
El concepto de batería de metal fundido es muy flexible. Una amplia gama de metales son adecuados. El concepto original era utilizar aluminio. El aluminio es un elemento en gran parte de las rocas de la luna.
@Ben: otro concepto que podría llamarse "batería de metal fundido" es derretir un metal con un punto de fusión bajo (como el sodio o el aluminio) para almacenar energía y dejar que se vuelva a congelar para liberar energía.
Esta no es una respuesta de ciencia dura. Agregue más evidencia técnica de que este sistema funcionará.
Un detalle menor, pero según el excelente sitio de Atomic Rockets , el material óptimo para una unidad láser ablativa (que es lo que es) es el grafito, en lugar de un metal. El metal funcionaría, pero no lograría un impulso específico tan alto.
@Gryphon - Gracias por el enlace. El enlace de Artemijs muestra que, con suficiente energía, podemos refinar las rocas de la superficie lunar para obtener metales. El grafito no es tan abundante en la luna. Su enlace sugiere que el magnesio podría ser una mejor opción que el hierro. Además, 4.000 segundos de impulso específico para grafito son impresionantes; podemos darnos el lujo de hacerlo significativamente peor.
@Jasper, si bien podemos darnos el lujo de hacerlo peor que 4,000 segundos (diablos, mi respuesta sugiere Al-O2 con unos míseros 285 segundos), no queremos hacerlo si no es necesario. Aún así, su punto sobre la rareza del carbono en la superficie lunar es bueno, y tiene razón en que un metal es un candidato más probable para un impulso realista.

"La nave espacial japonesa Kaguya, que fue lanzada en 2007, detectó uranio con un espectrómetro de rayos gamma. Los científicos están usando el instrumento para crear mapas de la composición de la superficie de la luna, mostrando la presencia de torio, potasio, oxígeno, magnesio, silicio, calcio , titanio y hierro".

https://www.space.com/6904-uranium-moon.html

Por lo tanto, la solución obvia es construir un reactor de fisión nuclear en la luna y construir una mina de uranio. La fisión nuclear (y la fusión) no requieren oxígeno, por lo que no se necesita atmósfera en la luna.

Los cohetes térmicos nucleares fueron prototipos y tuvieron pruebas (sin vuelo) desde la década de 1950 hasta la de 1970.

Hasta la fecha, no ha volado ningún cohete térmico nuclear, aunque los NERVA NRX/EST y NRX/XE se construyeron y probaron con componentes de diseño de vuelo. El exitoso Proyecto Rover de EE. UU. que estuvo en funcionamiento desde 1955 hasta 1972 acumuló más de 17 horas de tiempo de funcionamiento. El NERVA NRX/XE, considerado por SNPO como el último reactor de "desarrollo tecnológico" necesario antes de proceder a los prototipos de vuelo, acumuló más de 2 horas de funcionamiento, incluidos 28 minutos a plena potencia. Los soviéticos también afirmaron que el cohete térmico nuclear ruso RD-0410 había pasado por una serie de pruebas en el sitio de pruebas nucleares cerca de Semipalatinsk.

Esto parece un buen comienzo para una respuesta, pero ¿cómo se puede usar para impulsar naves espaciales lanzadas desde la luna?
@Ben: de una manera muy aterradora , supongo.
@Ben Además, según sus métricas, esta respuesta estaría en el nivel de "prototipo". Los cohetes nucleares se construyeron hace décadas y se probaron y demostraron que funcionaban, pero nunca se pusieron en uso por varias razones.
@Ben Eliminó mi pregunta anterior y acaba de editar un enlace de Wikipedia y una cita en la respuesta de Hyperion. Básicamente, solo calienta un gas muy caliente y tíralo por la parte trasera a alta velocidad. Calentar las cosas es algo en lo que las reacciones de fisión nuclear son buenas.
Esta es una buena respuesta. Desafortunadamente, parece que es poco probable que estos suministros de uranio estén en una concentración lo suficientemente alta como para ser utilizables space.com/8644-moon-map-shows-uranium-short-supply.html
Esta no es una respuesta de ciencia dura. ¿Dónde están estos depósitos? ¿Son recuperables económicamente? ¿Cuál es la lista de componentes que utiliza un cohete térmico nuclear? ¿Se puede lanzar uno sin irradiar el medio ambiente?
También me gustaría señalar que esta no es una unidad en la que quiera estar cerca del punto de lanzamiento. Los accidentes en este tipo de cohetes suelen ser bastante catastróficos.
Menos catastrófico que los accidentes al estilo de Chernobyl o los accidentes de NTR en la Tierra, porque las lluvias radiactivas no serían transportadas por aire, por ejemplo, solo caerían en algunos lugares específicos. Dependiendo del modo de falla, el reactor podría caer en un solo lugar, sin generar mucho problema. Lo peor probablemente sería que el reactor se desintegre en vuelo, lo que arrojaría material fuera del reactor lejos de la posición del accidente.
Las centrales nucleares necesitan agua. El agua es escasa en la luna y tendrá otros usos además de ser hervida en reactores
¿Funcionará la producción de energía de fisión en la luna? Hay MUCHO calor residual del proceso. En la tierra, esto da lugar a las típicas torres de refrigeración, y las plantas a menudo se ubican a lo largo del paseo marítimo o de las vías fluviales, ya que se utilizan como disipadores de calor. Creo que tal vez habrá grandes problemas para eliminar el calor residual en un vacío lunar.
@kingledion "Irradiar el medio ambiente" no es un problema. Estás en la Luna, y un poco de radioisótopo perdido no hará que sea significativamente más inhabitable de lo que ya es.

El método más simple para obtener combustible para cohetes de la Luna es extraer el hielo de los polos. Esto proporciona combustible para cohetes de una sola fuente minera.

Según Wikipedia :

En marzo de 2010, se informó que el Mini-SAR a bordo de Chandrayaan-1 había descubierto más de 40 cráteres oscurecidos permanentemente cerca del polo norte de la Luna que, según la hipótesis, contienen aproximadamente 600 millones de toneladas métricas (1,3 billones de libras) de hielo de agua. .

Entonces solo necesita un poco de calor, mucha electricidad y la capacidad de comprimir y almacenar por separado H2 y O2.

Derrite el agua y usa electrólisis para dividir el agua.*

Enlace de Wikipedia por si no sabes lo que es:

Esta técnica se puede utilizar para producir gas hidrógeno y oxígeno respirable. Dado que el hidrógeno es un producto industrial importante, la mayoría de los métodos industriales producen hidrógeno a partir de gas natural en el proceso de reformado con vapor.

Luego, solo usa la compresión criogénica para convertir los gases en forma líquida para su almacenamiento.

Si el hielo no está donde desea lanzar cohetes, es fácil transportar el hielo al área de lanzamiento. Recomendaría eso sobre el transporte de los gases O2 y H2. Por un lado, si el transporte falla, el hielo se evaporará mucho más lentamente que los gases líquidos criogénicos.

*¿Cuándo cambiaron el término de agua de craqueo a agua de división? Una búsqueda en "crack water" arrojó un montón de enlaces que no estaba buscando.

Aunque el hielo de agua es una buena solución, tiene una serie de propiedades molestas, entre ellas, que solo se encuentra en los polos, que son el peor lugar para despegar y aterrizar, lo que significa que tienes que transportar hielo al ecuador lunar o lanzar barcos. en órbitas polares. Otra cosa molesta es que solo se encuentra en lugares permanentemente sombreados, donde no puedes obtener energía solar para romper el hielo, por lo que primero tienes que sacarlo del cráter, e incluso entonces la energía solar en los polos es mucho menor. que en el ecuador, por lo que lleva mucho tiempo dividir el combustible.
@Gryphon, por eso hablé de transportar el hielo. Además, los postes podrían ser el mejor lugar para generar electricidad. Así como hay cráteres que tienen sombras permanentes, hay picos que tienen luz solar casi continua. Eso permitiría dividir casi todo el año.
También está el problema de que el hielo (al menos el hielo observado hasta ahora) tiene una concentración bastante baja. Necesitaría un refinamiento sustancial antes de comenzar a dividir el agua.
Otro problema es que el agua en la luna parece ser un recurso muy valioso en tal escenario, por lo que usarla como combustible para cohetes podría no ser económico.
@Ben con 600 millones de toneladas, no es que no haya suficiente para todos. Si mis cálculos son correctos, eso es suficiente para lanzar un transbordador espacial todos los días durante varios milenios. Por supuesto, la tasa de extracción debe tenerse en cuenta, pero con la gran cantidad disponible, no nos quedaremos sin nada pronto (si acepta la estimación de 600 millones de toneladas, pero dudo que sea más de un orden de magnitud). más o menos).
@Ben, el lanzamiento desde la Luna es un trampolín para extraer hielo de los asteroides. Una vez que lleguemos allí, podemos devolverle la Luna con intereses.
@Gryphon, sí, tendrían que procesar mucha roca, pero el proceso de refinamiento es tan simple como pasarlo por un tubo transparente con un espejo parabólico enfocado para derretir o vaporizar el hielo. Una bobina de condensador pegada en el tubo (fuera del alcance del calor), formaría un cilindro de hielo que podría recuperarse en un recipiente sellado. No necesita presión, solo luz solar y una cinta transportadora.
@ShadoCat eso es cierto, pero significa que se requiere más energía para hervir el hielo, y se necesita extraer y procesar más regolito. No es un problema, pero reduce la eficiencia y la velocidad de producción.
@Gryphon, Speed ​​tal vez, pero con el espejo, la ebullición es, esencialmente, gratuita. Después de los costos de puesta en marcha, operar toda la planta de procesamiento solo implicará empujar el mineral y retirar el mineral seco y los cilindros de hielo. Eso debería proporcionar un suministro lento y constante de combustible para encontrar un buen asteroide de hielo. Lo veo como la forma más económica de impulsar la minería de asteroides.
@ShadoCat es principalmente el hecho de que necesitará procesar una gran cantidad de regolito. Más de mil toneladas por tonelada de hielo, si esta fuente es correcta. Las misiones del cinturón de asteroides requerirán miles, si no decenas de miles de toneladas de combustible, por lo que es una gran cantidad de regolito para procesar. Si su extractor de agua solar puede procesar un kilogramo de mineral por segundo, tardará más de once días y medio por tonelada de combustible producido, suponiendo que pueda mantenerlo funcionando constantemente.
@Gryphon, tal vez combine mi idea con la de Ben a continuación. Usa el hidrógeno para el trabajo pesado y el motor de iones para llegar al cinturón.
@ShadoCat que podría funcionar, si hay suficiente propulsor fácilmente ionizado en la luna. Lo siento si parece que estoy siendo demasiado crítico, solo estoy tratando de descubrir posibles problemas. A veces puedo ser demasiado quisquilloso, así que sí, lo siento.
@Gryphon, NP. No soy un experto en nada de esto. No soy un científico. Mi especialidad son los negocios y la economía. Tus críticas me han dejado pensar en algunas cosas que no se me habían ocurrido.

Energía solar combinada con motores de iones y un controlador de masa:

Fuente de alimentación

Es posible que la energía solar se utilice para impulsar la nave, proporcionando tanto la energía a bordo como la propulsión.

La energía solar ya está ampliamente implementada, con suficientes paneles solares para suministrar 227 gigavatios de electricidad instalados en todo el mundo para 2015.

El componente principal de la mayoría de las células fotovoltaicas es el silicio . Este es el segundo elemento más abundante en la superficie lunar, sin embargo, existe en varios minerales en lugar de la forma relativamente pura que se usa para los paneles solares en la Tierra. Se requeriría un proceso para extraer silicio de estos minerales. Se ha sugerido tal proceso .

Propulsión en el espacio

Para la propulsión en el espacio, los paneles solares podrían combinarse con impulsores de iones; esta es una tecnología que ya se ha implementado . Las unidades de iones requieren un propulsor, para esto se ha usado o propuesto una variedad de elementos, incluidos xenón, argón, yodo, mercurio y bismuto. En teoría, los diseños como VASMIR podrían usar prácticamente cualquier material como propulsor. Por lo tanto, debería ser posible encontrar un propulsor adecuado en la luna.

Propulsión para lanzar

Sin embargo, los impulsores de iones no proporcionan suficiente empuje para escapar de la gravedad lunar. Esto podría lograrse acelerando la nave en una pista utilizando motores lineales, como los que se implementan en los trenes de levitación magnética en la Tierra. Hay muchas implementaciones para el transporte en la Tierra, pero hasta ahora esto no se ha utilizado para propulsar un vehículo a la velocidad de escape lunar. Se ha propuesto un sistema de lanzamiento de este tipo para su uso en la Tierra, donde la resistencia del aire y una velocidad de escape mucho mayor plantean desafíos que no se encuentran en la Luna.

Resumen

Los paneles solares podrían usarse para alimentar sistemas de propulsión que pueden funcionar con electricidad. Los impulsores de iones proporcionan un sistema de propulsión de este tipo para su uso en el espacio, y los controladores de masa proporcionan un sistema de este tipo para el lanzamiento.

Otros puntos que mejorarían esta respuesta, pero que no he tenido la oportunidad de incluir: información sobre la viabilidad de fabricar baterías en la luna e información sobre los elementos necesarios para construir un motor de iones. Además, ¿existen fuentes utilizables de xenón, argón, yodo, mercurio o bismuto en la Luna?
Exactamente. ¿Por qué molestarse con propulsores químicos costosos cuando puede simplemente construir una catapulta espacial para lanzar una nave espacial impulsada por iones directamente a la órbita? Sin embargo, la catapulta aún debe ser bastante grande, ya que debe acelerar a más de 6000 km/h, y el motor de iones debe ser lo suficientemente potente como para elevar el pericentro de la órbita fuera de la zona de peligro dentro de las primeras dos horas de vuelo. Cuanto mayor sea la velocidad final de la catapulta, más tiempo tendrá el motor de iones para hacer su trabajo.

Propulsión magnética. Durante 6 días cada mes.

cola magnética de la tierra

https://www.nasa.gov/images/content/222898main_orbit2_20080416_HI.jpg

La luna se mueve a través del campo magnético de la Tierra en el curso de su órbita. Una vez en el campo, la nave espacial basada en la luna podría moverse mediante propulsión electromagnética. Esto no es ciencia ficción.

https://en.wikipedia.org/wiki/Electrodynamic_tether

Las ataduras electrodinámicas (EDT) son cables conductores largos, como los que se despliegan desde un satélite de atadura, que pueden funcionar según principios electromagnéticos como generadores, convirtiendo su energía cinética en energía eléctrica, o como motores, convirtiendo la energía eléctrica en energía cinética. 1 El potencial eléctrico se genera a través de una cuerda conductora por su movimiento a través del campo magnético de un planeta.

Las naves espaciales con baterías (cargadas por paneles solares durante los otros 24 días del mes) cargan sus largas ataduras y las usan para impulsarse, empujando contra el campo terrestre durante su visita mensual.

Se podrían usar ataduras más largas y con más energía durante todo el mes, empujando contra el campo electromagnético relativamente más débil del sol y las partículas cargadas del viento solar.

Si bien esta es una idea interesante para maniobrar en el espacio, estoy bastante seguro de que no proporcionará suficiente empuje para despegar de la superficie lunar (no dude en corregirme si me equivoco). ¿Qué mecanismo propondría usted para alcanzar la órbita en primer lugar?
La propulsión electrostática es algo diferente, pero aparentemente es suficiente para que el polvo se levante de la superficie de la luna y se desplace. space.com/35240-moon-dust-levitates-nasa-study.html Entonces, para despegar: repulsión electrostática de la luna. Para volar: propulsión electrodinámica.

Recomiendo encarecidamente dos libros que salieron en los años 70.

G. Harry Stine "La Tercera Revolución Industrial"

y

"Colonias en el espacio" de Heppenheimer

Veo ambos en librerías de libros usados ​​regularmente.

Las nociones de Stines eran que se construyen satélites de energía orbitales que transmitirían energía de microondas a la antena receptora en la Tierra. Utiliza matriz en fase para mantener el haz estrecho. No, la energía no es suficiente para cocinarte si estás en la antena receptora.

El material se extrae en la luna y se lanza a un punto de Lagrange con un cañón de riel. Allí se descompone utilizando espejos solares de un kilómetro de diámetro. Gran parte de los desechos es sílice, que puede espumarse y usarse como relleno estructural. El aluminio es el principal material estructural. Algo de sílice se descompone en silicio (células solares) y Oxígeno (respiración) El hidrógeno escasea. Pero si puede producir oxígeno, entonces solo tiene que enviar 1/8 de la cantidad de combustible para cohetes que envió antes. Y tal vez esos cráteres polares en la luna tienen agua en ellos.

Stine es convincente. Tiene experiencia en ingeniería y tuvo acceso a varios informes de expertos de empresas como Rand Corporation.

Colonias en el espacio está un poco más lejos y se trata más de establecer más que un campo de trabajo en gravedad cero.

El hierro parece escasear en la luna. H. propone un cohete nuclear. Construye un reactor nuclear que se caliente lo suficiente como para convertir la grava en gas caliente. Puedes mover asteroides luego aterrizando un cohete de este tipo y una trituradora de grava. En este punto, no creo que podamos hacer un motor nuclear que opere directamente a esas temperaturas. Haz electricidad, haz un plasma. Acelerar eléctricamente el plasma. Puede obtener un gran impulso específico de esta manera. No es difícil hacer que el plasma alcance una fracción respetable de la velocidad de la luz. Sin embargo, es más eficiente acelerar más masa a una velocidad más baja.

Asegúrese de sus trayectorias. No quiero dejar caer una roca de 3 millas sobre la Tierra por error.

El propulsor más fácil de fabricar en la Luna sería ALICE, o un nanopoder de aluminio mezclado con hielo. No es necesario separar el oxígeno y el hidrógeno del agua.

Pruebas de combustible para cohetes ALICE

Otra opción es usar agua pura calentada con un reactor nuclear, haciendo un cohete de vapor. Esto no tiene el impulso específico de hidrógeno/oxígeno, lo que significa que no proporciona tanto cambio de momento por unidad de masa de propulsor, pero tiene una serie de grandes ventajas: no tiene que preocuparse por manejar combustibles criogénicos, el la nave espacial es más simple, el tanque de combustible puede ser simplemente una vejiga, etc.

Cohete de vapor impulsado por agua lunar

Sodio en cohetes térmicos nucleares, o el mismo sodio remasado en un cohete híbrido de aluminio y oxígeno.

El sodio, con una masa atómica de 23, es sorprendentemente bueno como propulsor NTR. Trabajando cerca del punto de fusión del dióxido de uranio, dicho propulsor produjo poco más de 300 segundos de ISP. Equivalente al de los propulsores almacenables modernos en términos de impulso específico.

Si se combina con un moderador de grafito, el ISP alcanza de 340 a 350 s, lo suficientemente alto para la mayoría de las transferencias y ciertamente suficiente para llegar a los planetas cercanos.

El sodio se puede obtener como un subproducto del procesamiento de rocas de feldespato lunar para material de construcción de aluminio y oxígeno para respirar.

El sodio en una reacción de aluminio y oxígeno aumenta en gran medida la propiedad térmica de la pluma y produce una clasificación ISP de aproximadamente 360 ​​a 370 s. Esto es viable para una transferencia de Júpiter.

Además, puede recolectar litio de rocas lunares y quemarlo en oxígeno líquido. Esto ofrece más de 550 segundos de ISP, que es suficiente para enviar una invasión interplanetaria. El litio también es bueno como propulsor de armas (de artillería) y como material energético en explosivos.

Por último, el sodio y el litio se pueden usar como propulsores para unidades eléctricas, que pueden funcionar con paneles solares de silicio que se pueden fabricar a partir de rocas lunares. O un reactor de fisión tiene que ser enviado desde la tierra.

Sin embargo, enviar solo el uranio 233 no será demasiado costoso, al menos no tanto como enviar todos los propulsores a la luna. Esto hace que todo el proceso de producción de combustible sea económicamente viable.

Hay mineral de torio en la luna, por lo que la energía nuclear será la opción. ¡Construye el reactor en la luna y podrás vender el servicio espacial incluso a la tierra!

En resumen, use metales alcalinos para reemplazar el hidrógeno, y no debería ser demasiado difícil construir naves espaciales en la luna.

La pregunta tiene la etiqueta de ciencia dura, lo que significa que las respuestas deben estar respaldadas por citas. ¿Puede proporcionar tal?
Todos los perfiles de energía/impulso específicos especificados anteriormente se calculan con Children of a Dead Earth, el simulador de batalla espacial más realista, utilizando datos de entalpía de formación/entropía estándar del mundo real. El costo de los elementos/materiales se calcula utilizando datos del mundo real sobre el suelo lunar/abundancia solar de los elementos. Se supone que la generación de energía y la refinación ocurren en la superficie y, por lo tanto, son irrelevantes para este cálculo.

Desviarse un poco de las tecnologías actualmente disponibles a aquellas que son posibles, pero que aún no se han logrado...

La superficie lunar es rica en Helio-3, por lo que si se desarrolla la propulsión por fusión de Helio-3, hay abundante combustible para ello.

https://www.esa.int/Our_Activities/Preparing_for_the_Future/Space_for_Earth/Energy/Helium-3_mining_on_the_lunar_surface

Los pocos centímetros superiores de la superficie lunar contienen partes bajas de dos dígitos por mil millones de helio-3. Además, puede obtener todos los beneficios de la fusión He-3 con la fusión p/B-11, sin tener que quemar un combustible que requiere raspar y procesar miles de millones de toneladas de regolito lunar.

Honestamente, aunque hay muchas respuestas factibles , solo hay una respuesta verdadera y correcta .

tritio

El tritio es una de las mejores fuentes de combustible del sistema solar, por un amplio margen. El uranio es radiactivo y requiere una infraestructura masiva para funcionar. Los hidrocarburos tienen efectos secundarios molestos y son algunas de las fuentes de combustible menos eficientes para el esfuerzo realizado, y la energía solar requiere mucho trabajo solo para obtener una pequeña cantidad (aunque sin combustible) de energía.

El tritio es bastante seguro en lo que respecta a los combustibles y el sol lo expulsa constantemente en cantidades masivas. Es denso en energía, y en gran medida se puede 'quemar' tal como está (dando como resultado hidrógeno que... simplemente se puede quemar de nuevo). Sin embargo, reacciona con la atmósfera de la Tierra, convirtiéndolo en H2 antiguo (también conocido como hidrógeno), por lo que en la superficie de la Tierra, el tritio es inútil y vale mucho más que su peso en oro y nunca se utiliza como fuente de combustible.

La luna, sin embargo, es una esponja de tritio. En el valor de un día de recolección por parte de una sola persona, podrían recolectar suficiente tritio para pagar el viaje a la luna. En un año, podría cubrir todo el programa espacial de nuestro mundo hasta la fecha. Y esto es antes de poner en marcha una infraestructura de tamizado de tritio seria.

Es una oportunidad tan ridícula como la fiebre del oro, que cada corporación multimillonaria que no está tratando de ir a la luna es estúpida.

Me gustaría señalar que la razón del alto precio del tritio es su rareza. Si una empresa fuera a la luna y trajera toneladas de cosas, su precio se desplomaría y la carga valdría unos pocos dólares el gramo, como máximo. El programa Apolo y su precursor Gemini costaron un total de 288 mil millones de dólares en 2019. Incluso suponiendo que lográramos reducir ese costo cien veces para un segundo conjunto de misiones lunares, no hay forma de que pueda pagarse por sí mismo enviando tritio.
Solo un poco de quisquilloso en su declaración de que "todas las corporaciones multimillonarias que no están tratando de ir a la luna son estúpidas". Lo siento si se convirtió en un poco de una diatriba.
@Gryphon En realidad, está en el mismo barco que Aluminium. En los primeros días de los EE. UU., el aluminio no se podía fabricar, solo podía tener suerte y extraerlo puro. Literalmente, valía más que su peso en oro, y se consideraba uno de los minerales más valiosos del planeta (lo que hizo que fuera un gran problema que cubrieran el Monumento a Washington con él). Entonces se inventó la producción de aluminio barato, y el precio del Aluminio POR LIBRA se desplomó, sí, pero el valor de la INDUSTRIA del Aluminio se disparó. La razón es que una sustancia de uso regular es una industria de más valor que una rareza.
@Gryphon y a medida que una industria crece con un recurso inicialmente raro, los márgenes de beneficio son una locura, especialmente cuanto más útil es. Y dado que el tritio es el mejor combustible y tiene otros usos, cae en esa categoría más sólidamente que cualquier otra cosa en la historia. La demanda superaría los aumentos de producción. Con el método de extracción que implica literalmente ir a otro mundo, eso significa que el margen de beneficio Y la baja competencia, lo que significa que los márgenes de beneficio harían que los productos básicos simples parezcan una broma.
@Gryphon Y para colmo, sería una industria de energía/combustibles, lo que le daría la proyección de aumento de la demanda de petróleo. En resumen, la primera empresa que PUEDE hacer que Tritium Moon Mining sea una cosa será EL negocio más rico del mundo, dentro de una década, sin duda, sin competencia. Es una tormenta perfecta de oportunidades económicas.
@Gryphon y considerando que Tritium es lo suficientemente denso en energía como para avergonzar a los combustibles de cohetes convencionales, no solo haría que esa compañía fuera súper rica terrestremente, sino que, como dice el dicho, "En una fiebre del oro, no busque oro, venda el picos". Estarían vendiendo los picos de una nueva fiebre del oro de la era espacial que estaría surgiendo y que suministraría cosas como esta pequeña joya: foxnews.com/science/…
Un par de puntos: la razón por la que el valor de la industria del aluminio se disparó fue que, como usted dice, "se inventó la producción de aluminio barato". Énfasis en la palabra "barato". Digamos que montamos un segundo conjunto de misiones lunares. Digamos que, por algún milagro de la ingeniería, logramos bajar el precio 100 veces desde la primera vez. Eso significa que cuesta alrededor de 29 mil millones de dólares. Digamos que también logramos optimizar más para recuperar muestras lunares, trayendo el doble de lo que hicimos entonces, de alguna manera también trayendo equipos para refinar el tritio para que lo recuperemos puro, todo a 1/100 del costo original.
La primera vez, trajimos 842 libras de materia lunar. Duplicamos eso de alguna manera, por lo que recuperamos 1684 libras. El precio actual del tritio es de alrededor de 15 millones por libra. Esto nos da un ingreso total por la venta de nuestras 1,684 libras de tritio de 25,26 mil millones. Lo que significa que nuestra ganancia total es de -3,74 mil millones de dólares. Y este es un escenario en el que tenemos un lanzamiento mágicamente barato, llevamos equipos de refinación de tritio sin costo adicional y traemos el doble de cosas que trajimos la primera vez. Estoy bastante seguro de que la extracción de tritio lunar no será rentable en un futuro próximo.
Además, esto supone que de alguna manera mantuvimos estable el precio del tritio, a pesar de arrojar al mercado abierto 1,684 lb de un material que generalmente tiene una producción de alrededor de 2 gramos por año. Si el tritio fuera una sustancia viable para producir al precio que requiere la minería lunar, estaríamos produciendo toneladas, porque ya podemos hacerlo más barato en la Tierra.
@Gryphon En primer lugar, un SpaceX Falcon pesado, que tiene la potencia necesaria para una misión lunar, solo cuesta 90 millones. Un elevador espacial basado en la Luna se puede construir con la tecnología actual, que el grupo espacial LiftPort estima en alrededor de 100 millones, lo que cubre el aterrizaje lunar, la recuperación y el regreso al pesado en órbita. El equipo de minería es un simple bot de pala y filtro, estás viendo 100k (solo tienes que tener paciencia para que haga su trabajo). Estás viendo una configuración reutilizable completa que ejecuta 200.2M, NO 29 mil millones. Estás equivocado por dos órdenes de magnitud, y el segundo viaje se vuelve efectivamente gratis.
@Gryphon Debido a que el Falcon Heavy es reutilizable, también lo es el ascensor espacial, y el bot puede seguir cavando y tamizando mientras estás fuera, y el Falcon Heavy puede reabastecerse de combustible y reajustarse para usar una parte del Tritium extraído (reduciendo su lanzamiento costo en combustible significativamente, lo que permite una carga útil MUCHO más grande), lo que significa que el segundo lanzamiento efectivamente gratuito puede transportar MUCHO más equipos de minería. En los dos o tres primeros viajes, el Tritium podría, con una gestión económica adecuada, venderse al costo total con una capacidad de carga mucho más que quíntuple a la vuelta. Está viendo casi $ 500 mil millones en ganancias puras
@Gryphon Y eso es solo en las primeras 3 misiones. En un año, dicha compañía podría estar fácilmente en los trillones de ganancias puras. Dentro de una década, dicha compañía fácilmente podría ser la primera en romper la marca de los 10 billones de dólares.
... el tritio no es producido por el sol y no está disponible en cantidades notables en la luna. Sus propiedades tampoco son nada como las descritas: se quema en oxígeno para formar agua de tritio, de la que se puede extraer de nuevo como el hidrógeno normal. No es especialmente seguro, ya que es un isótopo radiactivo de hidrógeno que felizmente ocupará el lugar del hidrógeno en el cuerpo. Es principalmente útil para dos cosas: puede fusionarlo con deuterio en una de las reacciones de fusión más prácticas para producir energía, o puede dejar que se descomponga en helio-3, que tiene numerosas aplicaciones científicas.
Justo. Aunque no son lo mismo de ninguna manera, dado que el tritio se descompone naturalmente en helio-3, a menudo cometo el error de usarlos indistintamente, y eso no es culpa de nadie más que de la pereza de mi propio cerebro (agregando las propiedades de He3 a las de Tritium). justo, He3 que es más dominante en la luna que Tritium, lo que significa que también se puede extraer allí. Sin embargo, las estrellas, incluido nuestro sol, producen tritio en su núcleo, que luego se emite, y la Luna es una 'esponja' decente que lo atrapa.
Las condiciones en los núcleos estelares queman cualquier tritio en las reacciones de fusión más rápido de lo que se puede producir. Incluso las enanas marrones más pesadas consumen todo su deuterio y litio en reacciones más difíciles. En cuanto al He-3, no reacciona en absoluto con la atmósfera de la Tierra, no se puede quemar para producir hidrógeno, solo es potencialmente útil como fuente de energía en reacciones de fusión mucho más difíciles que las que se llevan a cabo hoy en día (que no serían muy útiles para obtener cohetes de la luna), y solo hay alrededor de 10-20 partes por mil millones en el regolito lunar, y eso solo en los primeros dos centímetros.
La única dificultad real con el He-3 como reacción de fusión es que se calienta más que otras reacciones de fusión, una temperatura que no solo puede mantener su producción de energía, sino que el tritio que se descompone en él puede usarse para iniciar el proceso. Además, dado que no crea radiactividad, significa que es mucho más factible para más reactores desnudos, lo que permite una reducción de peso en la implementación final. Además, incluso si se tratara simplemente de 10 partes por mil millones en los primeros centímetros (discutible, lo que he visto en los documentos indica una abundancia mucho mayor), sigue siendo órdenes de magnitud más que la Tierra.
Sin mencionar que la minería en la Luna es increíblemente más simple que en la Tierra. A diferencia de la Tierra, que ha tenido el clima golpeando desde siempre, la luna no tiene una atmósfera. En la luna, es una simple cuestión de recoger y girar, y seleccionar los elementos que desea. Sin mencionar que He3 es solo uno de los más valiosos. Prácticamente la totalidad del regolito son minerales no oxidados listos y esperando la separación y la conversión al proceso industrial.
El tritio no es más útil para "arrancar" la fusión He-3 que cualquier otra fuente de energía para poner en marcha un reactor de fusión, y la fusión He-3 no es la única reacción aneutrónica: la fusión p-B11 es aneutrónica y no depende en combustibles escasos. En cuanto a la minería, en la Tierra la concentración por meteorización es la razón por la que existen muchos depósitos de mineral. En la luna, los minerales no solo están en su mayoría tan oxidados como en la Tierra, sino que en el regolito están todos mezclados y es probable que tengas que recurrir a procesos de alta energía como la electrólisis de óxido fundido para separarlos.

Si bien no es realmente un propulsor, dado que nosotros, como civilización, comenzamos a explorar los mares usando velas, no hay razón por la que no (al menos al principio) exploremos el espacio de una manera similar.

Entrar Velas solares: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail

Otra idea sería convertir la luna en un 'erizo de rayos láser' y usar láseres potentes para impulsar naves espaciales a través de nuestro sistema solar, de manera similar a una vela solar.

De lo contrario, en la actualidad, el mejor motor convencional sigue siendo el Motor de hidrógeno: https://www.nasa.gov/topics/technology/hydrogen/hydrogen_fuel_of_choice.html Sin embargo, (el hidrógeno líquido) tendría que obtenerse del agua de hielo extraído del cinturón de asteroides y enviado a la luna.

Me gusta la idea de usar recursos de otras partes del sistema solar. Aunque no estrictamente a la letra de la pregunta, capta el espíritu de la misma. ¿Cómo se alimentarían los láseres?
@Ben y respondedor: tenga en cuenta que, a diferencia de los veleros (según la analogía), una embarcación impulsada por velas solares solo puede acelerar lejos de la fuente de luz. Eso significa que una nave espacial de vela solar es más limitada que un velero. Un velero puede, contrariamente al sentido común, navegar contra el viento, aunque solo en un ángulo contra el viento de hasta aproximadamente 45 grados del viento, no directamente contra el viento a 0 grados de él. Este no es un obstáculo total y aún podría ser útil, pero debe ser parte de toda la planificación (es decir, ¿cómo vamos a detenernos cuando lleguemos?)
Las velas solares tienen una relación empuje-peso mucho menor que 1. Una vez que las pones en órbita, seguro que tienes una manera libre de combustible para ir a cualquier parte. Pero, ¿qué vas a usar para lanzarlos?
¿Cómo se despega de la superficie del planeta con una vela solar? Esta no es una respuesta de ciencia dura, agregue más evidencia técnica de que su plan es factible.
@Aaron, aunque uno no puede empujar directamente hacia la fuente de luz, uno puede "virar" para reducir la velocidad de la órbita y permitir que la gravedad de la fuente de luz lo atraiga.
@Loduwijk: las velas solares reflectantes producen un empuje normal a la vela y pueden inclinar la vela para "virar".
@ChristopherJamesHuff Eso no explica cómo uno iría en la dirección opuesta a la luz. Los barcos de vela pueden girar parcialmente contra el viento debido a la quilla en el agua. Si las naves espaciales tuvieran algo en el espacio contra lo que reaccionar de la misma manera, entonces seguro, pero nosotros no. ¿Cómo vas a virar hacia la fuente de luz? Lo mejor que puede hacer es usarlo para acelerarlo en un ángulo de casi, pero apenas menos de 90 grados desde la fuente de luz, pero aún alejando, no hacia, la luz. A menos que me esté perdiendo algo, lo cual sería genial.
Para la navegación solar en órbita solar, el sol emite luz y tiene gravedad. Inclina tu vela para reducir tu velocidad orbital y te mueves hacia el sol. Para la navegación de través, aproximadamente la mitad de sus interacciones con una estación de haz implicarán una trayectoria que se aproxima aproximadamente a ella, y inclinar la vela puede doblar trivialmente esa trayectoria más cerca de la estación de haz. Aparte de eso, nuevamente puede inclinar su vela para ajustar su órbita alrededor de la estación de rayos que esté orbitando o en la superficie como desee, incluido subir o bajar su órbita para acercarse más a la estación de rayos.
¿Cómo se pueden alimentar las naves espaciales fabricadas en la luna?
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