¿Cuánta masa necesitamos enviar a la Luna para instalar allí una fábrica útil?

A la luz de que SpaceX ganó recientemente el contrato para ir a la luna para la NASA, comencé a pensar ( nuevamente ) en qué vías podría abrir el envío de un cohete de ese tamaño en nuestro futuro cercano. Entonces, para una historia corta que estoy escribiendo, estoy construyendo una primera base en la luna.

bastante grande

El vehículo de SpaceX (¿necesito decir esto?) es el de la izquierda. Sí, esa cosa es grande, un edificio de diez pisos grande, y con (múltiples rondas de) reabastecimiento de combustible en el espacio y lanzadores desechables (utilícelos para construir sus primeros habitáculos en la luna), podemos enviar alrededor de 100 toneladas a la luna cada uno tiempo _ SpaceX está emitiendo sonidos (a través de su CEO) que sugieren un costo marginal de construcción/lanzamiento (es decir, ignorando la I+D inicial) de alrededor de USD $ 5-10 millones. Todavía no es "muy barato", eso sí, pero a ese costo, la NASA, SpaceX o quienquiera que los contrate para hacerlo puede permitirse enviar una gran cantidad de masa. (Para una escala relativa a la enorme economía de EE. UU., el presupuesto de defensa de EE. UU. en 2021 fue de USD $ 733 mil millones, por lo que una flota de 100 naves estelares al precio mencionado anteriormente sería menos del 0,2% de eso).

Ahora, para montar mi primera fundición/fábrica, ¿cuánta masa necesitaría? Pongamos un listón muy bajo y digamos que necesita poder procesar 1 tonelada de material por día. A modo de comparación, una fundición de mineral bastante primitiva con tecnología de finales de 1800 podría procesar 20.000 toneladas por día. Pero ya sabes, estamos en el espacio. Las cosas son un poco más difíciles de citar allí. Así que haremos concesiones reduciendo la producción varias miles de veces. Aún así, si lo piensa, incluso poder producir 1 tonelada de cosas, digamos varillas de aluminio o barras de hierro, por día, reduciría drásticamente los costos de construcción del hábitat en la luna, ya que cada tonelada que produce localmente es una tonelada que no tienen que arrastrarse costosamente desde la Tierra, y especialmente para materiales a granel,

Entonces, ¿qué tan pequeño puede ser este tipo de configuración, en términos de masa?

100t es más que suficiente para impulsar la producción en la luna, está estrechamente relacionado con el problema de arranque. Pero el problema es, hazlo bien, porque hay más de una forma de hacerlo y, por lo general, no es que un enfoque inteligente cueste más que el presupuesto militar y no rinda nada sustancial. Pensar en los habs en esa etapa inicial es básicamente eliminar cualquier buena opción antes de que madure, esperar la producción de energía de 1 GW antes de moverse en esa dirección, retransmitir la teleoperación de automatización antes de alcanzar ese 1 GW en producción de energía, que puede ser una base para comenzar algunos habs y esas cosas.
Oh hombre, incluso usas ciencia dura aquí, estás preguntando demasiado, no hay muchos trabajos sobre ese tema en general, un puñado y la mayoría de ellos viejos, y uno nuevo tiene como 5 años uno y estaba desactualizado en el momento en que fue fuera y no es lo suficientemente difícil como para contar como buena ciencia, mi consejo lo degrada, casi ni siquiera puedo hacer una respuesta regular sobre tu tema sin hablar de hs. // también se conectó a eroei nuevamente igual que con su problema de enjambre de dison, no obtuvo una buena respuesta allí, y este problema es aún más difícil.
cambió a la etiqueta basada en la ciencia
¿No están la mayoría de los materiales ya en la luna? Entonces, solo necesita la maquinaria para extraer / excavar, y suficiente comida / agua para durar hasta el próximo cambio de turno de reabastecimiento / tripulación (?) Luego, la cosa crece exponencialmente.
@Len: tradicionalmente, la "maquinaria para excavar en la mina" es muy intensiva en masa. Como es la fundición. Y el calor para las actividades relacionadas con la minería es un poco más difícil de conseguir en la luna. Además, hay mucho regolito que atravesar antes de llegar a los minerales útiles. Además, si bien los materiales pueden estar allí, están dispersos en diferentes lugares por toda la luna, al igual que en la Tierra.
@jdunlop: la calefacción es gratis durante la mitad del mes si tienes suficientes espejos. ¡Sin convección significa que su mayor problema es enfriar las cosas!
@jdunlop, pero no se puede deshacer. La maquinaria se subiría por etapas y podrían usar imágenes satelitales y estudios geoquímicos para localizar la mayor concentración de minerales de antemano.
@JoeBloggs ¿Máquinas fabricadas con un sistema de refrigeración química?
@Len: ese es mi punto, de verdad. "Solo necesita" subestima el tonelaje y el alcance de la operación requerida. Además, el refrigerante químico no ayuda si no tiene un fregadero para el calor en alguna parte.
Irónicamente, sospecho que el propio SpaceX podría responder a esta pregunta...
Creo que la primera planta que se instalaría serían los paneles solares para proporcionar energía. Luego plantas para extraer y procesar un combustible adecuado para tus cohetes reutilizables. Esto aumentará sus cargas útiles, ya que no necesitarán llevar consigo el combustible para salir de la Luna y alcanzar la órbita terrestre. Luego puede expandirse en cualquier dirección que sea económicamente más factible. (Helio 3 aquí vamos!)
Es más una cuestión de qué tipo de masa. 100T de cosas aleatorias no son tan buenas como una máquina de 10T que puede construir cosas aleatorias a partir de regolito lunar.
@DuncanDrake Solar ni siquiera en la luna producirá suficiente energía para la industria pesada. ¿Dividir el agua para hacer oxígeno? ¿Calentar los lavadores de CO2 para regenerarlos? ¿Fundición de mineral en acero y aluminio? Puede obtener tal vez 300 vatios por metro cuadrado de los paneles solares en la luna, solo un poco más que en la Tierra. Se necesitan 13 kilovatios-hora para que las mejores fundiciones de la Tierra produzcan 1 kg de aluminio. Entonces, para hacer esa barra de aluminio, necesitará unos 43 metros cuadrados de paneles. Los colonos lunares se encontrarán muy rápidamente buscando un reactor nuclear.
@stix No estoy de acuerdo. La energía solar sería la mejor opción si se compara con la nuclear. Considere que una planta de reactor nuclear necesitará una gran cantidad de equipos adicionales para funcionar, no solo el reactor nuclear en sí. En la Tierra, las centrales eléctricas están cerca de las fuentes de agua, necesitan mucha agua. No querrás traer toda esa agua (y todo lo demás) de la Tierra. Podrías usar el agua en la luna, si se encuentra en abundancia bajo tierra. Pero entonces vas a necesitar poder para extraerlo y procesarlo. Paneles solares primero. Entonces puedes expandirte.
@DuncanDrake 1/2 En la Tierra, las plantas nucleares actuales deben estar cerca de fuentes de agua porque están diseñadas de esa manera y se basan en diseños de reactores submarinos antiguos. Es totalmente posible diseñar un reactor nuclear que no necesite estar cerca de una gran masa de agua. Solar simplemente no lo cortará con un cálculo de la parte posterior de la servilleta. Tu densidad de energía es demasiado baja. Vas a necesitar toneladas y toneladas de aluminio, acero, titanio para mantener una colonia lunar autosuficiente. Ahora haga los cálculos y calcule el peso y, lo que es más importante, el área de superficie que necesita en los paneles solares para lograrlo.
@DuncanDrake 2/2 Y en la Tierra, todo el calor del reactor se desperdicia vertiéndolo en el agua, ya que solo te interesa generar electricidad. En la Luna, es casi seguro que capturaría y usaría eso como calor de proceso, que para la fundición y la ingeniería química sería más importante que la electricidad.
@stix Tal vez ponga esa servilleta en una respuesta, entonces, como defensor de la energía nuclear en la luna, al menos establece algunos requisitos mínimos de masa, ya que sabemos, en algunos casos, cuánta masa hay en un reactor, y con 100 t por nave. puede ser una opción, dependerá o no de lo que deseemos tener como resultado final. Pero la conveniencia de la energía nuclear como fuente de energía constante y bajo demanda está ahí con seguridad. Además una de las cosas que no te falta en la luna es espacio, 43 km cuadrados de solar para hacer aluminio, eh - por qué no, ahí no hay nada, yermo

Respuestas (2)

Veamos lo que se necesita para fundir cualquier cantidad de mineral. En primer lugar, ¿qué estás fundiendo? Diferentes artículos se derriten a diferentes temperaturas (IE Iron es 1500C, mientras que el aluminio es aproximadamente 650c - https://www.metalsupermarkets.com/melting-points-of-metals/ ). Necesita un recipiente para fundir los artículos en el que pueda soportar la temperatura de fusión requerida. Para muchos de los materiales requeridos, puede ahuecar un recipiente en el regolito y usarlo para derretirlo como una fuente de calor viable y un medio para purgar los metales. Se derrite entre 1350 y 1600 Kelvin, que es aproximadamente 1000-1300 Celsius.

En cuanto a la fuente de calor, existen muchas variedades de reactores de sales fundidas que son relativamente livianos y pueden producir el calor necesario ( http://fhr.nuc.berkeley.edu/wp-content/uploads/2014/09/AHTR.Nuclear. Technology.Article.May20.2003.pdf ) siempre que pueda purgar el exceso de calor.

A continuación, necesita el equipo de minería necesario. Una excavadora grande pesa aproximadamente 50 toneladas métricas ( https://www.gregorypoole.com/new-equipment/machines/excavators/352f-l-hydraulic-excavator/ ) y las baterías necesarias pesarían otras 2-3 toneladas métricas. Uno debería ser suficiente para empezar. Junto con la excavación necesitarías un transportador. Como debe ser un vehículo todo terreno, una tonelada de 42 toneladas métricas pesa aproximadamente 8 toneladas ( https://www.gregorypoole.com/new-equipment/machines/off-highway-trucks/770g-off-highway-truck/ ). Nuevamente, está buscando otras 2-3 toneladas para baterías.

A continuación, necesita una infraestructura de carga. Esto requeriría un medio para convertir el calor del reactor en electricidad. Al ver que el vapor no es un medio efectivo en un entorno de presión 0, es probable que esté considerando la termovoltaica. Muchas, si no todas, las misiones espaciales de EE. UU. utilizaron este método para obtener energía en sus vehículos de lanzamiento ( https://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator ). Esta es una solución liviana (el potonio proporciona aproximadamente 140 W/g) para recargar baterías además de proporcionar energía según sea necesario para los trabajadores en el sitio.

Finalmente hay vivienda para los trabajadores. Bigelor Aerospace tiene su módulo lunar B330 en planificación en este momento con un peso de lanzamiento de 23 toneladas y proporciona 113 metros cuadrados de espacio, 330 metros cúbicos de volumen total. 2 o 3 de estos proporcionarían un amplio alojamiento para los trabajadores.

Así que para los pesos totales tenemos

  • 170t (reactor de sal)
  • 50t (excavadora)
  • 8t (camión volquete)
  • 10t (baterías de iones de litio - estimación generosa)
  • 23t (habitación)
  • 1t (potencia)
  • 20t (oxígeno, agua, nitrógeno (neumáticos de camión) y otros artículos diversos)

Creo que eso es todo lo que necesitaría si puede hacer que el regolito funcione; la cerámica podría funcionar para contener el calor dentro del regolito para evitar que se derrita por el exceso de calor; agregue otros 10-20 t para eso.

Para resumir, entonces, estamos viendo aproximadamente 302 toneladas métricas. Suponiendo una carga útil de elevación de 16,8 t (carga útil de inyección Falcon heavy to trans mars para permitir el alunizaje y el regreso), estimamos aproximadamente 18 elevaciones. Si lo llamamos 20 ascensores por flexibilidad, está buscando entre 100 y 200 millones de dólares para comenzar el proceso.

Para una mayor consideración, también querrá ver qué materiales se requerirán en su base a medida que se construye para proteger contra la radiación y también para evitar fugas de aire, ya que muchos de los materiales fundidos serán de naturaleza algo porosa. Es probable que necesite algún tipo de revestimiento de plástico o cerámica que se pueda rociar en el interior, así como numerosas esclusas de aire en caso de una brecha (los asteroides serán mucho más comunes que en la Tierra). Puede ser más inteligente usar su equipo de minería para excavar túneles a varios cientos de pies bajo tierra para obtener una capa protectora y revestirlos con regolito derretido. Pero eso es solo mi opinión sobre el asunto :)

Buena suerte en esto.

¿Podría usar espejos (ya sea en el lado soleado o muchos más en órbita) para evitar tener que tener un reactor de sal?
¿No le gustaría seguir utilizando vapor, o algún tipo de fluido de trabajo, en un sistema cerrado, en lugar de termovoltaicos, que son muy ineficientes? El motivo de la termovoltaica RTG en las sondas espaciales es que no tienen partes móviles para la longevidad, pero como resultado solo obtienen alrededor de 100 vatios de ellas. Parece que un sitio tripulado necesitaría mucha más energía y podría justificar un mantenimiento adicional en un reactor compacto de alta potencia.
@SerbanTanasa Demasiadas posibilidades de que los espejos se dañen o se cubran de polvo. Con el tiempo, los micrometeoritos causarán daños a la reflectividad, si no a la integridad de los espejos, y el polvo causado por la minería no se asentará tan rápido como en la Tierra, y también continuará aproximadamente en la misma dirección en que comenzó a moverse (baja gravedad, ausencia de atmósfera). ). También está la consideración del peso: ¿Cuántos espejos se necesitan? ¿Qué infraestructura para soportar esos espejos? ¿Qué protección si se usa la luz solar directamente?
@Brianorca El problema con el vapor es que se usa para hacer girar una turbina para generar energía. Esto significa que todo debe estar encerrado en un recipiente presurizado. Como el vapor se deriva del agua, ahora tiene el peso del agua, la turbina y la carcasa. A medida que el agua hierve a una temperatura más baja de acuerdo con la presión del aire, ¿qué efecto tendrá la presión sobre la luna? Por lo tanto, necesitará el recipiente sellado y presurizado. Estamos viendo diferencias de peso significativas.
@Brianorca Lo siento, me quedé sin espacio :) Como mostré arriba, aunque los RTG son de baja potencia, también son extremadamente livianos (140 W / g de combustible), lo que permite una capacidad significativa para ajustar la potencia según sea necesario. También la redundancia es extremadamente importante. 1 turbina. 1000 RTG. Perder una turbina es catastrófico para todos los trabajadores. Perder 100 RTG es un inconveniente. Una vez más, estamos viendo la imagen total de la eficiencia, el peso, la seguridad y la eficacia. Una turbina es ideal para la eficiencia y la eficacia, pero lamentablemente falta un poco en las otras categorías.

¡Solo unos pocos kilogramos!

El concepto de ensamblaje convergente ( http://www.zyvex.com/nanotech/convergent.html ) ha existido durante décadas, pero durante mucho tiempo se ha considerado una solución en busca de un problema. En mi opinión, la colonización espacial será su aplicación asesina.

En resumen, nuestra noción moderna de lo que es y se ve una fábrica es una reliquia de la escala de la tecnología anterior al siglo XX. También en las industrias terrenales, donde el tiempo es dinero, existe un impulso comprensible para minimizar los tiempos de fabricación de los bienes deseados esencialmente intercambiando energía y masa por tiempo. Cuando se trata de colonización espacial, esta ecuación se invierte. La energía y la masa se vuelven muy valiosas mientras que el tiempo es ilimitado para todos los propósitos prácticos.

Con eso en mente, no tenemos que enviar fábricas a gran escala a otros mundos para comenzar el proceso de industrialización. En su lugar, podríamos enviar grupos de fábricas automatizadas a escala milimétrica (1/1000) que colaborarán de forma independiente in situ para producir fábricas y herramientas a escala centi. Luego, colaboran para producir fábricas y herramientas a escala deci, y finalmente convergen para producir fábricas y herramientas a gran escala. Los requisitos de recursos y energía crecerían de forma gradual y proporcional a la escala, lo que ayudaría a maximizar la eficiencia con el tiempo. Cada generación de escala también tendría la opción de reciclar la generación anterior en materias primas.

Curiosamente, arrancarlo requeriría un período del proceso a la inversa. Tendríamos que utilizar fábricas y herramientas a gran escala para fabricar fábricas y herramientas a escala deci, para fabricar fábricas y herramientas a escala centi, etc. también podría impulsarse financieramente a sí mismo.

Conceptualmente se puede lograr con la tecnología moderna. Solo requeriría mucho de algo que los humanos odian conceder: tiempo.

No tenemos capacidades de producción a deci-escala, o su límite inferior para algunos casos. Deci significa algo por debajo de 10 cm, como 10-100 tenemos algunas cosas, pero es una masa, no unos pocos kg. Pero buen concepto de respuesta.
¿Cuánta masa necesitamos enviar a la Luna para instalar allí una fábrica útil?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v