Виталий Перов - Космические аппараты исследуют Луну

Рис. 11. Один из вариантов траектории транспортировки лунного грунта к космическому перерабатывающему предприятию

В настоящее время в печати достаточно широко обсуждается вопрос о целесообразности создания на околоземных орбитах крупных энергетических спутников, оснащенных оборудованием для преобразования солнечной энергии в электрическую с последующей передачей ее на Землю (в виде энергии микроволнового излучения). Решение этой технической проблемы возможно очень надолго освободит человечество от энергетического кризиса и облегчит охрану среды обитания людей от загрязнения. Эти на первый взгляд далекие от лунной тематики проекты оказались неожиданно введены в круг проблем, связанных с освоением Луны.

Дело в том, что рассматриваемые энергетические комплексы удобно расположить в окрестностях Луны, в так называемых «треугольных точках либрации». Искусственный спутник Земли, находящийся вблизи одной из этих точек, имеет чрезвычайно устойчивое орбитальное движение. Кроме того, доставка с Луны конструкционных материалов, составляющих основную массу спутника, или сырья для их производства требует в 20 раз меньших затрат энергии, чем доставка их с Земли. Итоговая оценка приводит к заключению, что строительство подобных систем может быть рентабельным только при условии доставки сырья с поверхности Луны.

На рис. 11 показана схема одного из вариантов транспортировки грузов с Луны на энергетический спутник. Специальный механизм, работающий на электроэнергии, разгоняет контейнеры с грузом до скорости 2,33-2,34 км/с, достаточной для выхода из сферы притяжения Луны. Затем контейнеры совершают полет по баллистической траектории и попадают в улавливающее устройство, представляющее собой конус диаметром у основания 100 м. Конус-«улавливатель» должен иметь бортовую двигательную установку для поддержания нужного положения на орбите, а также для транспортировки контейнеров с грузом к спутнику.

Если рассматривать лунный грунт как сырье для переработки, то легко можно убедиться, что наиболее просто выделить из него металлическое железо. Частицы, которые можно отделить с помощью слабых магнитных полей, составляют 0,15-0,2 % от общего веса грунта. Они содержат около 5 % никеля и 0,2 % кобальта. Для полного выделения железа, алюминия, кремния, магния и, возможно, титана, хрома, марганца, а также кислорода, который образуется в качестве побочного продукта, необходимо использовать обычный металлургический процесс.

Одна из возможных схем такого процесса представлена на рис. 12. Начинается все с измельчения грунта до максимального размера частиц 200 мкм (для этого могут использоваться вибрационные мельницы). Далее он газовым потоком направляется в печь обжига, причем по пути к печи в грунт добавляется ферросилиций, измельченный до частиц размером 50 мкм. Ферросилиций необходим для восстановления железа, но, кроме того, сам является промежуточным продуктом на других, следующих, стадиях металлургического процесса.

При температуре 1300 °C кремний диффундирует из частиц ферросилиция и при этом будет восстанавливаться железо. Продуктом этого процесса является силикатный расплав со взвешенными в нем частицами железа. После охлаждения и измельчения этой смеси железо извлекается с помощью магнитной сепарации, а низкожелезистый силикат поступает в главный реактор.

Рис. 12. Один из вариантов технологической схемы получения конструкционных металлов из лунного грунта. Среди технологических устройств в нее входят: печь для отгонки алюминия от расплава температурой 2300 °C (II, печь для отгонки кальция, магния, алюминия, кремния и окиси углерода (III), реактор восстановления металлов углеродом (IV). Используются следующие процессы: выделение железа (2), сплавление железа и кремния при температуре 1500 °C (3), отгонка магния при температуре 1200 °C (4), конденсация и фильтрование (5), электролиз воды (6), разделение твердых и газообразных продуктов электролиза (7), диффузия железа из силикатов (I). Необходима также печь-центрифуга для разделения железа и шлаков (1)

В главном реакторе, а его можно представить в виде печи, вращающейся вокруг продольной оси (для гравитационного разделения образовавшегося сплава металлов, шлака и газов), происходит термическое восстановление металлов. После добавления в силикат, поступивший в реактор, углерода и при нагреве смеси до 2300 °C происходят химические реакции восстановительного типа, протекающие с выделением тепла.

На этом этапе металлургического процесса образовавшийся сплав кремния с алюминием отделяется от шлака и газообразных продуктов, поступает в дистиллятор, где алюминий и кремний разделяются. Окись углерода, пары кальция, магния и частично алюминия и кремния подвергаются дальнейшему разделению. Окись углерода, например, может соединиться с водородом и образовать воду, метан и некоторые другие углеводороды. Эта реакция давно используется в промышленности и хорошо изучена. В качестве катализатора может применяться окись железа. Метан, а также водород сушатся в конденсаторе для отделения воды. Вода электролизом разлагается на кислород и водород. Кислород выделяется в готовый продукт, а водород возвращается в реактор.

Рассмотренный в качестве примера металлургический процесс вполне пригоден для условий Луны с точки зрения энергопотребления, необходимого для данного оборудования, и практической его отработанности. Для своей реализации он требует минимума веществ, доставляемых с Земли, и дает хороший выход продукции на единицу массы оборудования. Веществами «нелунного» происхождения в технологическом цикле будут только углерод и водород, которые практически не расходуются, а используются в замкнутом цикле.

Кроме получения из лунного грунта металлов и других химических веществ, можно представить и иные возможности по переработке этого грунта в конструкционные материалы, такие, как стекло. Сырьем для производства стекла может служить плагиоклаз материкового реголита, представляющий собой почти чистый CaAl2Si2O8 с 0,5 % NaO2 и составляющим доли процента FeO. По сравнению с земным стекло из лунного грунта должно быть прочнее и выдерживать более длительные механические нагрузки без разрушения, так как из-за отсутствия воды в породах Луны, поверхность стекла должна иметь меньше дефектов, снижающих его прочность.

Используя лунный грунт, можно осуществлять и такой процесс, как базальтовое литье, широко применяемое при изготовлении пустотелого кирпича, строительных блоков, труб диаметром 3-10 см и длиной 1–1,5 м, отличающихся высокой стойкостью к кислотам и щелочам. Прочность продуктов этого литья из лунных пород может достигать при сжатии 10000-12000 кг/кв. см, а при растяжении -500- 1100 кг/кв. см.