Читать книгу: «Неожиданные вопросы организации роботовладельческого общества. Том 2. Примеры техники в роботовладельческом обществе», страница 3
Одной из проблем роботовладельческого общества будущего [23] является недостаточная занятость населения, поскольку большую часть работ возьмут на себя роботы. Людей можно задействовать в изготовлении оборудования для описанного проекта. Высвобожденные в результате автоматизации быта силы возможно потратить на освоение космоса.
Я хотел первоначально отправить заявку в на изобретение в Патентное ведомство по описанной конструкции, но из-за того, что сверхпроводимость в широком диапазоне температур ещё не открыта, и нужно проектировать автоматические космические аппараты с манипуляторами и много других подобных деталей, решил не делать этого, а обратиться к мировой и российской научной общественности, чтобы они согласовали усилия при решении задач по описанному проекту.
Список литературы
1. Атмосфера Венеры. / сайт «Всё о космосе»/cosmosplanet.ru, 28.05.2019 г.
2. Атмосфера Марса. / сайт «Всё о космосе»/cosmosplanet.ru, 28.05.2019 г.
3. Атмосфера Нептуна. / сайт «Всё о космосе»/cosmosplanet.ru, 28.05.2019 г.
4. Атмосфера Сатурна./ сайт «Всё о космосе»/cosmosplanet.ru, 28.05.2019 г.
5. Атмосфера Титана. / сайт «Всё о космосе»/cosmosplanet.ru, 28.05.2019 г.
6. Атмосфера Урана./ сайт «Всё о космосе» / cosmosplanet.ru, 28.05.2019 г.
7. Атмосфера Юпитера. / сайт «Всё о космосе» / cosmosplanet.ru, 28.05.2019 г.
8. Афанасьев И. Коптер для Марса. / ж. Новости космонавтики, 2018, вып. 7, с. 73
9. Афанасьев И. Разработка ядерного буксира продолжается. / ж. Новости космонавтики, 2013, вып. 12, с. 37–39
10. Бецис Д. Venus Express завершил работу. / ж. Новости космонавтики, 2015, вып. 3, с. 54–59
11. Бонд А. Вращательный механизм. / Патент на изобретение РФ № 2682228 по заявке 2016111696 от 10.10.2014 г.
12. Bosch ставит крест на двигателе внутреннего сгорания: нас ждёт водородная революция. / www.motogonki.ru, 28.05.2019 г.
13. Изобретён материал, который становится сверхпроводником при 130 С и нормальном давлении. / zen.yandrex.ru, 2.06.2019 г.
14. Ильин А. Миссия Cassini продолжается. / ж. Новости космонавтики, 2010, вып. 4, с. 42–45
15. Ильин А. Новые приключения Cassini. / ж. Новости космонавтики, 2014, вып. 4, с. 47–52; 2014, вып. 5, с. 64–68
16. Каталог радиальных вентиляторов высокого давления. / www.armavent.ru, 28.05.2019 г.
17. Кириллов Л. И. Искусственная луна / заявки на изобретение РФ № 2000130101 от 30.11.2000 г. и № 99115687 от 19.07.1999 г.
18. Конторович А. Э., Коржубаев А.Г, Эдер Э. В. Мировой рынок гелия. / www.newchemistry.ru, 28.05.2019 г.
19. Курамшин А. Цеолитные катализаторы ускоряют превращение углекислого газа в углеводородное топливо. / www.elementy.ru, 28.05.2019 г.
20. Манабу К. Устройство для защиты объекта в космическом пространстве (по авторскому свидетельству на изобретение СССР № 1709899 по заявке № 4613067/23 от 16.11.1988 г.
21. Новая технология производства пластмасс. / www.poliolefins.ru, 8.06.2019 г.
22. Прорыв в создании сверхпроводника, работающего при комнатной температуре. / zen.yandrex.ru, 28.05.2019 г.
23. Салмин А. И. Некоторые принципы формирования роботовладельческого общества. / www.science-perm.ru / Архив конференций / Материалы первой международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития нефтегазовой и машиностроительной отраслей» Екатеринбург: научно-издательский центр «Инноватика», 25.05.2016, с. 35–40
24. Салмин А. И. Обзор применения материалов на основе углерода. / www.научный-сборник.рф / международный научный журнал «Инновационное развитие» Пермь: Центр социально-экономических исследований, 25.05.2017 г., 2017 г., вып 5, с. 7–8
25. Славин С. И. Сто великих тайн космонавтики. М.: Вече, 2012, с. 157–165
26. Солнечные панели «Neosun» Max Power (MONO, PERC) / www.neosun.com, 5.06.2019 г.
27. Эмото М. Энергия воды. М.: София, 2006
28. Эмото М. Энергия воды и жизни хадо. Минск: Попурри, 2009
29. Ядерный космос России. Интервью И. Б. Афанасьева с А. С. Коротеевым / ж. Новости космонавтики, 2010, вып. 2, с. 44–47
Расчёты к статье Салмина А. И
ЗАДАЧА СОЗДАНИЯ 3D-ПОЕЗДА ДЛЯ ДОБЫЧИ ГЕЛИЯ, ВОДОРОДА, УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И ДРУГИХ ГАЗОВ ИЗ ВЕРХНИХ СЛОЁВ АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТ
Сделаем сначала расчёт для трубы радиусом нижней стенки 2 м и радиусом верхней стенки 1,5 м с высотой усечённого конуса h=50 м. Масса такой трубы m1 равна
m1 = ρ [d S1 + d (Sверх – Sотв) + d (Sниж – Sотв) + 4 d Sтрубки] + mвент + 8mбатарей (1)
Здесь ρ – плотность материала трубы (углепластик), d – толщина стенок трубы и боковых трубок, S1 – площадь боковой поверхности усечённого конуса трубы, Sверх – площадь верхней стенки, Sниж – площадь нижней стенки, Sотв – площадь отверстия в верхней и нижней стенках, Sтрубки – площадь боковой поверхности боковой трубки с соплом, mвент – масса вентилятора, mбатарей – масса панели солнечных батарей. На случай реакции углерода стенок трубы с водородом атмосферы Юпитера стенка трубы внутри и снаружи может быть покрыта слоем изолирующего вещества в доли миллиметра. Массой этого вещества мы пренебрегаем.
На рис. 5, где известны h=50 м, rниж = 2 м, rверх = 1,5 м, надо найти l – длину боковой стенки трубы. Угол α обозначен на рис. 5 как а. Из треугольников АВС и BED следует
sin α = rниж : (l + l1) = rверх : l1 (2)
rниж l1 = rверх (l + l1) = rверх l + rверх l1 (3)
l1 (rниж – rверх) = rверх l (4)
l1 = rверх l / (rниж – rверх) = l / ((rниж / rверх) – 1) (5)
Из уравнений 2, 5 следует
sin α = rверх : l1 = rверх ((rниж / rверх) – 1) / l = (rниж – rверх) / l (6)
l = (rниж – rверх) / sin α (7)
Из треугольника АВС и треугольника BED следует
cos α = (h1 + h) / (l1 + l) = h1 / l 1 (8)
h1 (l1 + l) = l1 (h1 + h) (9)
h1 l1 + h1 l = l1 h1 + l1 h (10)
h1 l = l1 h (11)
h1 = l1 h / l (12)
Из формул 8, 12 следует
cos α = h1 / l 1 = l1 h / l l1 = h / l (13)
l = h / cos α (14)
Из формул 7, 14 следует
h / cos α = (rниж – rверх) / sin α (15)
sin α / cos α = (rниж – rверх) / h = tg α (16)
α = arctg ((rниж – rверх) / h) (17)
Из формул 14, 17 следует
l = h / cos α = h / cos [arctg ((rниж – rверх) / h)] = 50 / cos [arctg ((2–1,5)/50] = 50 / cos [arctg 0,01] = 50 / cos 0,57290 = 50 / 0,999 = 50,005 (м) (18)
Рис. 5
Sтрубки – это площадь боковой поверхности цилиндра с основаниями площадью 0,25 м2 (формула 1), чтобы 4 отверстия создавали площадь 1 м2. Цилиндр выгнут на конце отверстием вниз, но этим фактом мы пренебрегаем, считая длину криволинейной стенки как прямой lбок тр . Площадь боковой поверхности цилиндра равна
Sтрубки = 2 π rбок lбок тр (19)
Здесь rбок – радиус боковой трубки. Его найдём из условия, что площадь отверстия боковой трубки Sосн равна 0,25 м2.
Sосн = π rбок2 (20)
rбок = (Sосн / π) 0,5 = (0,25 / 3,14)0,5 = (0,079617834)0,5 = 0,282 (м) (21)
Из формул 19, 21 следует
Sтрубки = 2 × 3,14 × 0,282 × 2 = 3,54 (м2) (22)
Масса вентилятора не может быть равна массе коптера 1,8 кг, так как у коптера винты развёрнуты под небольшим углом к плоскости вращения, а у вентилятора этот угол больше, поэтому понадобится большая масса проводов для поворота ротора. В то же время применение новых материалов позволяет снизить массу вентилятора с более чем тонны до 55 кг.
В качестве примера панели солнечных батарей можно взять панели “Neosun” (Солнечные панели “Neosun” Max Power (MONO, PERC) / www.neosun.com) с размером модуля 1956 мм × 992 мм × 40 мм, гарантией 30 лет, массой 18–23 кг, мощностью 300–375 Вт. Массу возьмём максимальную. С четырёх сторон трубы можно установить по паре панелей с каждой стороны. В зависимости от угла падения света пара панелей будет освещаться обязательно с той или иной стороны.
По формулам 1 и 18 найдём площадь усечённого конуса трубы
S = π (rниж + rверх) l = 3,14 (2 + 1,5) 50,005 = 549,555 (м2) (23)
Площадь верхнего и нижнего отверстия трубы при радиусе 1 м равна
Sотв = π rотв2= 3,14 × 12 = 3,14 (м2) (24)
Подставим все числа в формулу 1.
m1 = 1600 кг/м3 × (0,005 м × 549,555 м2 + 0,005 м × (3,14 × 1,52 м2–3,14 м2) + 0,005 м × (3,14 × 22 м2–3,14 м2) + 4 × 0,005 м × 3,54 м2) + 55 кг + 8 × 23 кг = 4616,48 кг + 55 кг + 184 кг = 4855,48 кг (25)
Для трубы с четырьмя входными отверстиями формула 1 подходит, но вместо одной площади нижнего отверстия будет вычитаться 4 такие площади, вместо массы одного вентилятора будет стоять 4 массы вентилятора, а вместо восьми солнечных панелей будет стоять 24 такие панели, а также толщина трубы для удержания большего давления будет в 2 раза толще:
m2 = 1600 кг/м3 × (0,01 м × 549,555 м2 + 0,01 м × (3,14 × 1,52 м2–3,14 м2) + 0,01 м × (3,14 × 22 м2–4 × 3,14 м2) + 4 × 0,01 м × 3,54 м2) + 4 × 55 кг + 24 × 23 кг = 9082,24 кг + 220 кг + 552 кг = 9854,24 кг (26)
Посчитаем вес первой трубы Р1 и вес второй трубы Р2 труб на Венере и Юпитере. На Венере он будет равен произведению массы трубы на ускорение свободного падения на Венере:
Р1В = m1 gB = 4855,48 × 8,87 = 43068,11 (H) (27)
Р2В = m2 gB = 9854,24 × 8,87 = 84407,109 (H) (28)
На Юпитере вес будет равен произведению массы трубы на ускорение свободного падения на Юпитере:
Р1Ю = m1 gЮ = 4855,48 × 24,8 = 120415,904 (H) (29)
Р2Ю = m2 gЮ = 9854,24 × 24,8 = 244385,152 (H) (30)
Посчитаем, во сколько раз вес трубы больше тяги трубы, с учётом, что тяга трубы с четырьмя вентиляторами больше в 4 раза.
На Венере у первой трубы к1В = 43068,11: 15200 = 2,83 (31)
На Венере у второй трубы к2В = 84407,109: 60800 = 1,39 (32)
На Юпитере у первой трубы к1Ю = 120415,904: 15200 = 7,9 (33)
На Юпитере у второй трубы к2Ю = 244385,152: 60800 = 4,02 (34)
3. Обзор применения материалов на основе углерода
Опубликовано: www.научный-сборник.рф / международный научный журнал «Инновационное развитие» Пермь: Центр социально-экономических исследований, 25.05.2017 г., 2017 г., вып 5, с. 7–8
Я изучил описания изобретений по использованию углерода на сайте Патентного ведомства за последние 20 лет для их использования на мусоросжигающих предприятиях. Существует некоторая оторванность идей авторов изобретений, большинство из которых в качестве углеродного сырья используют углеродные волокна, фуллерены или углеродные нанотрубки, и нужд промышленности, которая в качестве конечного продукта сжигания имеет золу, сажу или дым.
Ключевые слова: сжигание мусора, переработка мусора, углерод, углеродные волокна, фуллерены, углеродные нанотрубки, композитные материалы, космический лифтггг
В настоящее время в России начинают строиться мусороперерабатывающие и мусоросжигающие предприятия. Как правило эти предприятия строятся на кредитные средства, возврат которых осуществляется за счёт платы жильцов домов за вывоз мусора из контейнеров во дворах. Существует противоречие между руководством мусоросжигающих компаний, которые заинтересованы в том, чтобы плата за вывоз мусора была больше, и жильцами, которые заинтересованы в том, чтобы плата за вывоз мусора была меньше. Это противоречие снимается, если мусоросжигающие компании будут получать дополнительные доходы от сжигания мусора за счёт использования конечных продуктов сжигания. На заседании правительства РФ в конце декабря 2016 года, посвящённом ликвидации свалок, прозвучало предложение вырабатывать электроэнергию при сжигании мусора, что даст дополнительный доход мусоросжигающим компаниям от продажи электроэнергии. Можно также предложить использовать углерод, который с избытком образуется после сжигания мусора, на предприятиях, которые будут его использовать в своих производственных циклах. Тогда мусоросжигающие компании будут продавать углерод. Чтобы подбросить идеи предпринимателям, которые собираются перерабатывать углерод, я на сайте Российского патентного ведомства www.fips.ru нашёл описания изобретений, в которых используется углерод, и сделал их обзорный анализ применения.
Изучив описания изобретений за последние 20 лет, я пришёл к выводу, что существует некоторая оторванность идей авторов изобретений, которые в большинстве в качестве исходного углеродного сырья используют углеродные волокна, фуллерены и углеродные нанотрубки, и нужд промышленности, которая в качестве конечного продукта сжигания имеет золу, сажу и дым. Описаний изобретений, в которых бы рассказывалось, как получить углеродные волокна из золы, сажи или дыма, я не нашёл. Если химики разработают такой способ, то существуют в базе данных Патентного ведомства десятки изобретений с использованием углеродных волокон в композиционных материалах, начиная с авиационной и космической промышленности и кончая стройиндустрией.
Существуют способы получения фуллеренсодержащей сажи [2, 10], но делают её путём сжигания в электрической дуге электродов из графита в завихряющемся потоке инертного газа, подобным же способом получают углеродные нанотрубки [1]. Электрод возможно делать из сажи путём спекания углерода с углеродистым связующим веществом [13], но будет ли пригоден такой электрод для изготовления нанотрубок и фуллеренов неизвестно, это надо пробовать, проводить эксперимент. Если получится изготавливать фуллерены и нанотрубки описанным способом, то существует до десятка патентов с их использованием, например, в качестве носителя катализаторов, адсорбента и т. д… Из углеродных нанотрубок, если их удастся получить упомянутым способом, возможно делать короткие волокна [11].
Некоторые материалы и покрытия получают из графитового порошка, возможно, они могут быть получены из сажи [8, 9, 12]. Порошкообразный углеродный носитель с серебром покрывает бактерицидные обои [5]. Если нагреть диоксид титана с сажистым углеродом, то получится карбид титана с содержанием углерода менее 1,5 % [4]. Используется сажа для получения электролизёров или топливных элементов с твёрдым полимерным покрытием [7]. Углеродистый материал добавляется при сжигании серосодержащих веществ для улавливания серы из дыма [3]. Полимерные композиции из сажи возможно получать путём добавления тиола [6]. Конечно, золу можно использовать в качестве удобрения и продавать её сельхозпроизводителям. Но если получится получать из неё углеродные волокна, фуллерены или углеродные нанотрубки, то можно делать более дорогой продукт, чем удобрения, и получать больший доход.
Я не специалист в области химии, но я хотел бы привлечь внимание химиков и генетиков к проблеме использования золы, сажи и дыма, которая может стать актуальной при сжигании мусора. Я заинтересовался этой темой, поскольку работаю над проектами космического лифта. Одной из трудностей при создании высотных космических лифтов является отсутствие механизма синтеза углеродных нанотрубок длиной в тысячи километров. Думаю, решение этой проблемы будет найдено в конце концов в области генной инженерии. Если создать искусственную клетку из фиброцита, клетки соединительной ткани человека и животных, которая синтезирует коллагеновые волокна, внедрив в неё гены микроорганизмов, которые питаются углеродом, и научив её синтезировать из съеденного углерода волокна, то такие клетки могли бы синтезировать углеродные нановолокна длиной в тысячи километров. Чисто химическим способом, скорее всего такой синтез осуществить не удастся.
Список литературы
1. Амиров Р. Х., Исакаев М-Э. Х., Шавелкина М. Б., Лещук В. А., Киселёв В. И. Устройство для получения углеродных нанотрубок из сажи. / Патент на полезную модель РФ № 155457 по заявке № 2013158297/05 от 27.12.2013, опубликовано 10.10.2015 бюллетень № 28, С 01 В 31/00, В 82 В 3/00, В 82 Y 40/00
2. Болстрен Н. Н., Басаргин И. В., Богданов А. А., Седов А. И., Филиппов Б. М. Способ производства фулеренсодержащей сажи и устройство для его осуществления. / Патент на изобретение РФ № 2341451 по заявке № 2007112872/15 от 30.03.2007, опубликовано 20.12.2008 бюллетень № 35, С 01 В 31/00, В 82 В 3/00
3. Веллелеа В. А., Комри Д. С. Способ уменьшения количества загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу при сжигании содержащего серу углеродного топлива (варианты). / Патент на изобретение РФ № 2418040 по заявке № 2007103309/04 от 8.04.2005, опубликовано 10.05.2011 бюллетень № 13, C 10 L 10/00
4. Крутский Ю. Л., Антонова Е. В., Очков В. В., Баннов А. Г., Курмашов П. Б. Способ получения карбида титана. / Патент на изобретение РФ № 2550182 по заявке № 2013123373/05 от 21.05.2013, опубликовано 27.11.2014 бюллетень № 33, C 01 B 31/30, C 01 G 23/00, B 82 B 3/00, B 82 Y 40/00
5. Моисеенко В. В., Новопашин С. А. Обои с бактерицидными свойствами. / Патент на изобретение РФ № 2417281 по заявке № 2009144427/12 от 30.11.2009, опубликовано 27.04.2011 бюллетень № 12, D 21 H 27/20, D 21 H 21/36, D 21 H 19/36, C 09 J 7/04, C 09 D 5/14
6. Поливода Е. Н., Харчевников В. М., Цилько А. Б., Красовский В. Н., Корчемкин С. Н., Феоктистова Т. П., Нестеренко Л. Г. Модифицированная сажа для полимерных композиций и способ её получения. / Авторское свидетельство СССР № 756826 по заявке № 2636590/26 от 7.06.1978, опубликовано 10.01.2000 бюллетень № 1, С 09 С 1/58
7. Порембский В. И., Акелькина С. В., Фатеев В. Н., Алексеева О. К. Способ изготовления и модификации электрохимических катализаторов на углеродном носителе. / Патент на изобретение РФ № 2595900 по заявке № 2015125624/04 от 29.06.2015, опубликовано 27.08.2016 бюллетень № 24, B 01 J 37/34, B 01 J 23/42, C 23 C 14/35
8. Решетников С. М., Гильмутдинов Ф. З., Писарева Т. А., Харанжевский Е. В. Способ нанесения коррозионно-стойкого углеродного покрытия на поверхности стали. Патент на изобретение РФ № 2591826 по заявке № 2014137776 от 17.09.2014, опубликовано 20.07.2016 бюллетень № 20, C 23 C 26/00, C 23 C 8/26, B 82 Y 30/00
9. Селезнёв А. Н., Афанасов И. М., Свиридов А. А., Сорокина Н. Е., Авдеев В. В. Способ получения композиционных углеродных материалов. / Патент на изобретение РФ № 2377223 по заявке № 2008125463/03 от 25.06.2008, опубликовано 27.12.2009 бюллетень № 36, С 04 В 35/536
10. Ушаков П. А., Дресвянников Д. Г., Пигалёв С. А., Домбрачёв А. И., Коршунов А. И., Туринеева В. В. Лабораторная установка для получения фулеренсодержащей сажи. / Патент на полезную модель РФ № 167970 по заявке № 2016133231 от 11.08.2016, опубликовано 13.01.2017, С 01 В 31/02, B 82 Y 40/00
11. Чаусов Д. Н., Мащенко В. И., Константинов М. С., Беляев В. В. Способ получения волокон из углеродных нанотрубок. / Патент на изобретение РФ № 2612716 по заявке № 2015120898 от 2.06.2015, опубликовано 13.03.2017 бюллетень № 8, D 01 F 9/12, B 82 B 1/00
12. Чжу Ц., Лю Ц., Шень Ш. Керамический фильтр, содержащий углеродное покрытие, и способ его изготовления. / Патент на изобретение РФ № 2456056 по заявке № 2010118514/03 от 28.01.2008, опубликовано 20.07.2012 бюллетень № 20, B 01 D 39/20, C 04 B 38/00
13. Элкем А. Способ непрерывного получения длинномерных углеродных изделий. / Патент на изобретение РФ № 2193295 по заявке 2000129162/06 от 15.04.1999, опубликовано 20.11.2002 бюллетень № 32, Н 05 В 7/09
4. Расчёт времени добычи порции металла на астероиде путём плавления лучами прожектора
Впервые опубликовано: www.научный-сборник.рф / международный журнал «Инновационное развитие» Пермь: Центр социально-экономических исследований, 25.03.2017 г., 2017 г., вып. 3, с. 44–49
Успешные исследования астероидов за последние три десятилетия позволяют перейти к этапу добычи полезных ископаемых на астероидах. На металлических астероидах редкие металлы возможно добывать путём расплавления мелких порций металла на их поверхности, остужения, складирования и отправки на Землю. В работе оценивается количество теплоты и время, которые требуются для такой добычи с учётом теплопотерь. Целью статьи являются оценочные расчёты, а не точные, чтобы убедиться в работоспособности предложенного способа добычи. В своём изобретении я учёл потери на преобразование солнечного света в свет прожектора, но не учёл значительных потерь энергии при отражении света прожектора от расплавленного металла, что я исправляю в этой статье. Привлекается внимание наземных специалистов к возможности использования прожектора особой конструкции вместо лазера для плавки металла.
Ключевые слова: астероид, добыча, полезные ископаемые, железо, родий, иридий, индий, рутений, время плавления, теплота, прожектор, лазер
В США разрабатываются проекты добычи полезных ископаемых на астероидах [18]. Так по одному из проектов тяжёлый космический корабль разворачивает цилиндрический надувной контейнер внешним диаметром 15 м и длиной 10 м, как в сачок, захватывает астероид и перемещает его на орбиту Луны, где его распиливают, и его части спускаются на Землю. Если таким способом освоить астероид класса С, то можно добыть до 100 тонн воды, до 100 тонн соединений углерода и 90 тонн металла (83 тонны железа, 6 тонн никеля, 1 тонну кобальта) [18]. Но всё-таки такой проект требует строительства космического лифта или разработки других специальных способов доставки добытой руды на Землю, что откладывает его воплощение. Более быстро можно осуществить предложенный мною проект, в котором на металлический астероид садится космический корабль, оснащённый специальным прожектором, который небольшими порциями порядка 1 кв. см в объёме плавит вещество астероида, захватывает и остужает захваченные порции и складирует их [23, 24]. Таким способом можно добыть от нескольких килограммов до нескольких десятков килограммов металла, доставить их на космическую станцию на орбите Земли и спустить на Землю в её спускаемом аппарате. Но моим способом нерентабельно добывать железо, это должны быть какие-то редкие дорогие металлы. Для этого среди множества астероидов надо дистанционно найти и выбрать для посадки астероид с повышенным содержанием редких металлов на поверхности. В США поиск таких астероидов уже обсуждался [1]. В научной фантастике обсуждалось также военное применение аппаратов для доставки астероидов [3, 25].
Реалистичность обследования и посадки на астероид демонстрируется многочисленными успешными полётами исследовательских зондов к астероидам, кометам и малым планетам с дистанционным обследованием, или посадкой, или даже с доставкой кометного вещества на Землю [7, 9–17, 19, 21, 26].
При разработке моего изобретения [24] учитывался опыт вышеупомянутых миссий. Во-первых, в частности была учтена необходимость повышения надёжности аппарата в условиях бомбардировки высокоэнергетическими заряженными частицами. Мною предложена раскладывающаяся сферическая солнечная батарея, которую не надо ориентировать по Солнцу, одна сторона которой всегда будет освещена Солнцем при вращении астероида с космическим аппаратом, по мере поворота такой батареи она подставляет под лучи Солнца разные стороны. В тени астероида используется электроэнергия, запасённая в аккумуляторе. Астероид обычно быстро вращается вокруг своей оси, и для нацеливания на Солнце плоских солнечных батарей требуется точная электроника, которая может быть выведена из строя высокоэнергетической заряженной частицей. Сложность нацеливания плоской солнечной батареи состоит в том, что издалека с Земли трудно заранее определить параметры вращения астероида, а скорость вращения может меняться, понадобятся специальные компьютерные программы для нацеливания. Сферическая солнечная батарея позволяет избежать сложностей и рисков. Кроме того, вместо лазеров, которые также могут быть выведены из строя высокоэнергетическими частицами, предложено плавить металл астероида специальным прожектором. Такой прожектор образован рядами полых шаров с отверстиями внизу, внутри шаров находятся мощные лампы с вольфрамовыми нитями накаливания, снаружи шаров на выходе отверстий находятся трубки, нацеленные своими концами в фокус прожектора, расположенный на поверхности металлического астероида. Даже если высокоэнергетическая частица пережжёт одну из вольфрамовых нитей, остальные лампы будут гореть, и прожектор потеряет лишь незначительную мощность одной лампы.
Во-вторых, учитывая сложности посадки зонда «Фили» [13, 14], была предложена мною другая система соединения с кометой. Зонд «Фили» для соединения с кометой использовал гарпуны, которые втыкались в вещество кометы, и тросами к ним подтягивался зонд. Окончательная фиксация осуществлялась шурупами ледобурами на посадочных опорах. На железном астероиде такая схема крепления не подходит, так как гарпун и шуруп-ледобур тяжело втыкать в железо. На более мягком грунте кометы Чурюмова-Герасименко зонд «Фили» раскачивался и менял ориентацию, что затрудняло связь с ним, к тому же его передатчики были повреждены. Приходилось его перестыковывать заново [13]. Вместо гарпунов и шурупов-ледобуров я предложил снабдить аппарат длинными механическими щупальцами, которые охватывают астероид (обнимают его) и таким образом присоединяют аппарат к нему [24].
В-третьих, при добыче металла на металлическом астероиде автоматическими аппаратами нецелесообразно использовать сверление, поскольку сверло или циркульная пила требует замены. Замена сверла или циркульной пилы усложняет устройство аппарата. В сложную электронику, регулирующую замену тоже могут попасть высокоэнергетические частицы и вывести её из строя. К тому же длительность работы аппарата и объём добытого вещества ограничиваются запасом свёрел или циркульных пил. С этих точек зрения добыча плавлением более совершенна: ничего не надо заменять, и длительность работы аппарата ограничивается удалённостью аппарата от Солнца при использовании в качестве источника электроэнергии для прожектора солнечных батарей.
При обсуждении моего изобретения [24] у собеседников пришлось снимать два заблуждения. Первое, это то, что все астероиды находятся за орбитой Марса, где освещённость солнечных батарей недостаточная для работы аппарата. Число известных астероидов, пересекающих орбиту Земли и долетающих до Солнца, с диаметром более 1 км составляет примерно 500 объектов, а с диаметром более 100 м – не менее 200000 объектов [4]. Самый наглядный факт, подтверждающий существование астероидов ближе орбиты Марса, – это недавнее падение астероида в горде Челябинске, вызвавшее разбиение ударной волной многочисленных стёкол. Второе заблуждение – это то, что солнечной энергии не хватит для плавления астероидного вещества. Я выполнил расчёты времени плавления вещества астероида сначала без учёта теплопотерь.
На сайте компании ЮСТ (United Smart Technologies) [27] приведены стандартные значения поверхностной плотности потока излучения от Солнца W0 для различных планет Солнечной системы (см. таблицу 1). Возьмём эти значения за основу для расчётов.
Оценим теплоту Q, необходимую для нагрева до температуры плавления, а затем для расплавления 10 см3 металла, и сравним её с энергией, поступающей от Солнца с учётом потерь на её преобразование.
Q = λm + mc(T2 – T1) = ρv (λ + c(T2 – T1) (1)
Здесь λ – удельная теплота плавления металла, m – масса металла, ρ – плотность металла, v – объём нагретого и расплавленного металла, равный 10 см2, с – удельная теплоёмкость, Т2 – температура плавления металла, Т1 – начальная температура металла до нагревания и расплавления.
Рассчитаем для нескольких металлов теплоту Q по формуле 1 для двух видов нагрева – от температуры Т2 = 203 К и от температуры Т2 = 1000 К. Температура 203 К (-700 С) взята как средняя температура поверхности кометы из исследований зондом «Фили» с космического аппарата «Розетта» поверхности кометы Чурюмова-Герасименко, находящейся на расстоянии от Солнца 555 млн км [26]. Близкий результат получил зонд «Даун» при дистанционном измерении температуры на поверхности астероида Веста, которая составляет 240–270 К [22, 30]. Температуру 203 К я взял для расчётов как самую неблагоприятную. Более благоприятная температура на поверхности астероидов вблизи Солнца, в частности у Икара вблизи перигелия температура поверхности достигает 1000 К [30]. Поэтому температуру в 1000 К я взял для расчётов как самую благоприятную.
Прежде чем приступать к расчётам необходимо уточнить поступающую от Солнца мощность излучения W0, указанную в таблицe 1, поскольку значительная часть её будет теряться при преобразовании света в электрическую энергию, а потом обратно в свет.
W = W0 × a × b × c × d = W × 0,15 × 0,85 × 0,96 × 0,04 (2)
W – мощность излучения прожектора при работе прожектора от солнечной батареи площадью 1 м2, а – КПД преобразования солнечной энергии в электрическую в солнечной батарее, b – КПД зарядки-разрядки аккумулятора, c – КПД инвертора, преобразующего постоянное напряжение в переменное, d – КПД вольфрамовой лампочки. а взято минимальное, в современных солнечных батареях КПД составляет 15–40 % [33]. b и c взяты по данным компании ЮСТ [21]. d взято по данным сайта [28]. Будем также считать, что рассеяние в разреженном инертном газе, заполняющем сферы на КПД влиять не будет. Все лучи, исходящие из вольфрамовой лампы, многократно отражаясь от внутренних блестящих стенок сферы, в которой она находится, рано или поздно выйдут через отверстия в сфере и трубки. Частоты спектра поглощения разреженного газа, заполняющего сферы, не совпадают со спектром излучения лампы, поэтому поглощения света наблюдаться не будет, и оно на КПД влиять не будет. Под коэффициентами полезного действия в формуле 2 подразумеваются отношения соответствующих потребляемых или излучаемых мощностей к соответствующей мощности, поступающей извне или от узлов предыдущего этапа работы преобразователя. Результаты расчётов мощности излучения прожектора по формуле 2 размещены в таблице 1.
