Viabilidad del reciclaje de basura a base de plasma en elementos constituyentes puros

TL: DR factible? Sí. ¿Práctico? No.

Este diseño no es realmente sostenible en su forma actual por varias razones.

En primer lugar, el plasma no es del todo denso (o al menos no lo es en la mayoría de los reactores de fusión hechos por el hombre), se usa muy poco hidrógeno en un reactor de fusión, por lo que tan pronto como agregue su basura finamente molida, es probable que se enfríe por debajo del umbral necesario para la fusión, lo que significa que esencialmente estaría igual de bien (probablemente mucho mejor por razones en las que no entraré) vaporizando e ionizando su basura con cualquier otra forma de calor como un láser, corriente eléctrica fuerte, luz solar concentrada o radiación intensiva (que podría ser de un reactor de fusión) y luego pasarla por el separador magnético.

El otro problema con la baja densidad del plasma es el hecho de que los cubos sólidos de 10 m que está quemando producirán un volumen masivo de plasma (realmente grande) y este plasma no puede ser de alta densidad porque de lo contrario dominará la interacción partícula-partícula. y será mucho más difícil de separar. Esto significa que su planta tendrá que trabajar increíblemente despacio solo con unos pocos gramos por año o tendrá que enviar plasma a velocidades tremendas, lo que significa que necesitará imanes mucho más potentes para enviarlos en esos caminos curvos y usará mucho más energía por kg de masa enviada a través de lo que sería razonablemente sostenible por cualquier civilización sin algo como la generación de energía de agujero negro.

Su diseño también sufrirá problemas derivados de la doble ionización. porque se separa en función de la carga específica. Digamos que tenemos dos iones pasando por el detector, Carbono-12 al que le falta un electrón y Magnesio-24 al que le faltan dos electrones. Estos dos iones serán tratados casi de manera idéntica por el separador, con la única diferencia de que su energía de enlace será tan pequeña que la pista tendría que ser casi cien veces más larga. Es probable que esto también sea siempre un problema, independientemente del método de ionización que utilice, si lo ioniza más, obtendrá menos ionización doble, simple y triple y los elementos se quedarán atrás.

Habiendo dicho todo esto, su dispositivo aún podría usarse como PARTE de un sistema de macro-reciclaje más grande, una vez que haya eliminado todo lo que normalmente puede (es decir, química y físicamente), es probable que algunos desechos sigan allí. Esto es lo que luego pasa por un espectrómetro de masas a escala industrial y lo divide en elementos constituyentes.

Las preocupaciones energéticas masivas tampoco podrían ser tan malas. En teoría, toda la energía se destina a los muchos vapores de iones de movimiento rápido y un poco de radiación de ciclotrón, ambas fuentes de energía por derecho propio que pueden reciclarse fácilmente y realimentarse al sistema. Si puede viajar por el espacio, entonces probablemente también pueda generar mucha energía muy rápidamente.

Entonces, aunque no puedo ver que esto se convierta en la forma principal en que tratamos con la basura, bien podría ser parte de un sistema más grande para lidiar con esa basura realmente molesta que no desaparece.

EDITAR: con respecto a sus puntos de bonificación, el tamaño podría variar bastante, en general, las plantas más grandes tendrán más éxito en la separación de elementos de manera más limpia y serán más fáciles de mantener, mientras que las plantas más pequeñas procesarán los desechos más rápido pero pueden resultar mucho más difíciles de construir.

El mejor de los casos para el consumo de energía es la entalpía de formación de los desechos, que para cualquier civilización que viaja por el espacio es básicamente 0 más probable que esté determinado por la velocidad a la que los desechos deben consumirse, la eficiencia de su tecnología, la composición elemental de sus residuos, y mil variables más que desconocemos.

se escala muy bien, de hecho, recomendaría construir estas plantas en el espacio profundo donde el vacío es barato y puedes extenderte tanto como quieras.

Las salidas elementales se enviarán primero a través de un solenoide para que la energía se pueda reciclar de las corrientes de materia que se mueven rápidamente, los rayos elementales ahora lentos se pueden enviar simplemente a electrodos que extraerán energía de la carga de los iones. En el caso de los elementos gaseosos, será mucho más difícil, para los elementos reactivos, recomendaría usar un electrodo de calcio que luego use electrólisis para extraer el gas. Los gases nobles serán más difíciles pero no imposibles, es posible que deba dispararlos en algún tipo de solvente en el que se disuelvan (tal vez un betún puro) y luego extraerlos más tarde.

Muy probable

Probablemente funcionaría. Las centrífugas se utilizan para enriquecer uranio (es decir, separar el U-235 del U-238) convirtiéndolo en gas y luego aprovechando el hecho de que los dos isótopos tienen pesos diferentes, por lo que cuando los giras, se moverán a diferentes velocidades. Esto parece estar usando una idea similar.

Sería una bestia diseñar y hacerlo capaz de hacer cualquier elemento. Pero si hoy tenemos centrífugas de gas de uranio, una centrífuga de desintegración de plasma es plausible, incluso una lo suficientemente sensible como para ser un desensamblador universal. Probablemente tomaría décadas o siglos de desarrollo tecnológico más allá de lo que tenemos hoy, pero si su historia es lo suficientemente lejana en el futuro, eso no es un problema.

Eficiencia : convertir cosas en plasma requiere el gasto de mucha energía. Es probable que esta planta requiera un reactor nuclear, probablemente con un diseño altamente optimizado que convierta directamente la basura en plasma en los volúmenes requeridos y solo incidentalmente produzca suficiente energía convencional para mantenerse en funcionamiento.

Método de contención : es probable que las salidas elementales no sean lo suficientemente energéticas como para sufrir reacciones nucleares, por lo que puede dispararlas a una cámara llena de agua (una por elemento individual). Eso desacelerará los iones lo suficiente como para detenerlos en el receptáculo y convertirlos de nuevo en átomos ordinarios. Esto liberará la radiación de Cherenkov (que probablemente pueda usar para generar energía, mejorando un poco la eficiencia). Los átomos reaccionarán con el agua; solo a los gases nobles les gusta quedarse en estados elementales desnudos (no importa que "liberarán" violentamente electrones para rellenar sus propias capas agotadas), por lo que deberá usar procesos de ingeniería química ordinarios para refinarlos.

[Descargo de responsabilidad: no soy físico. Alguien que lo sea probablemente pueda encontrar agujeros en esto.]

Menos mal que tienes plantas de fusión.

Porque vas a necesitar mucha energía. De importancia crítica es la energía de ionización de todos los elementos. Como el plasma contiene elementos normales despojados de sus electrones, será necesario bombear suficiente energía en cada cubo de basura para liberar suficientes electrones para formar un plasma.

La energía requerida para energizar/plasmaizar 10m^3 de basura al azar será inmensa. En el extremo inferior, sigamos considerando el hidrógeno. Se necesitan 1312 kJ/Mol para la ionización completa. Pero el hidrógeno es fácil. Ya es un gas.

El hierro es más complicado. Es un sólido y no produce energía a través de la fusión. La energía de ionización del hierro es de 762,5 kJ/Mol para el primer electrón. Las energías de ionización aumentan rápidamente para cada electrón después.

No sé si el hierro tiene que calentarse hasta que hierva antes de que pueda convertirse en plasma. Si lo hace, entonces los requisitos de energía para este reactor son asombrosos. Suponiendo valores de calor específico lineal a todas las temperaturas de 1 kg de hierro de 449 J/kg K; se necesitan 1407166 J para hervir 1 kg de hierro. Agregue el calor de la vaporización y se vuelve aún más caro.

Consideraciones de diseño de reactores

Hay un par de cosas que deberá tener en cuenta en este reactor.

• No dejes que el plasma toque nada. He visto temperaturas de 30.000 Kelvin en la literatura. Con las energías en discusión, las temperaturas del plasma pueden ser considerablemente más altas. La materia normal no funciona bien cuando se golpea con átomos de alta energía. Este es un problema de larga data en las plantas de energía de fusión en desarrollo ahora.

• Esto no es combustible. Cualquier cosa de hierro y más pesada no produce energía cuando se fusiona.

• Inyectar materia fría en este reactor requerirá flujos de energía ridículamente altos para mantenerse. Cada 10 m ^ 3 deberá calentarse a temperaturas de plasma, que variarán enormemente de un cubo a otro. A medida que la masa sale de la cámara de plasma, consumirá energía térmica que debe restaurarse para mantener el plasma.

• El reactor debe contener la rápida expansión de los productos en fase gaseosa. El agua se expande 1700x cuando se convierte en vapor. Otros sólidos o líquidos pueden expandirse aún más. El reactor no solo debe contener los gases en expansión, sino también los trozos de alta velocidad de masa arbitraria acelerados por esos productos. En otras palabras, sin preprocesamiento, cada cubo es una bomba de fragmentación de 10m^3.

• Cuidado con los elementos realmente cáusticos como el flúor y el cloro. Estos elementos no son malos cuando se unen a otros elementos a temperatura ambiente, pero este reactor no es normal. Deberán tomarse precauciones especiales o el reactor podría comerse a sí mismo.

Compensaciones de diseño

Bien, de alguna manera el reactor funciona. Separa cada elemento y no se destruye a sí mismo. Has gastado una enorme cantidad de energía para obtener un gas muy caliente. ¡Bien hecho!

Sin embargo, ahora tiene una gran nube caliente de elementos aleatorios que deben clasificarse, enfriarse y convertirse en productos que puedan venderse. ¿Cómo clasificará estos? ¿Cómo evitará reacciones químicas inútiles cuando los átomos se enfríen?

Habiendo investigado un poco sobre los plasmas de hidrocarburos, puedo decir sin lugar a dudas que esta área es muy compleja y muy difícil de manejar, incluso con plasmas de un solo elemento. Este reactor debe aceptar todos los elementos en cualquier proporción o cantidad. Este es el manual en pdf para una calculadora de plasma de la vida real que solo hace plasmas de un elemento. Todas esas variables de entrada cambiarán entre lotes y quizás dentro de cada lote.