Wie viel Masse müssen wir zum Mond schicken, um dort eine nützliche Fabrik zu errichten?

Angesichts der Tatsache, dass SpaceX kürzlich den Auftrag erhalten hat, für die NASA zum Mond zu fliegen, begann ich ( erneut ) darüber nachzudenken, welche Wege sich in unserer nahen Zukunft für den Versand einer Rakete dieser Größe eröffnen könnten. Also für eine Kurzgeschichte, die ich schreibe, baue ich eine erste Basis auf dem Mond.

ziemlich groß

Das Fahrzeug von SpaceX (muss ich das sagen) ist das auf der linken Seite. Ja, das Ding ist groß, zehn Stockwerke hoch, und mit (mehreren Runden von) Auftanken im Weltraum und verbrauchbaren Trägerraketen (benutzen Sie sie, um Ihre ersten Habitate auf dem Mond zu bauen), können wir jeweils etwa 100 Tonnen zum Mond schicken Zeit . SpaceX macht (über seinen CEO) Geräusche, die auf Grenzkosten für den Bau/Start (dh unter Berücksichtigung der anfänglichen F&E) von etwa 5-10 Mio. USD hindeuten . Es ist immer noch nicht "schmutzig billig", wohlgemerkt, aber zu diesem Preis können es sich die NASA, SpaceX oder wer auch immer sie damit beauftragt, leisten, eine Menge Masse zu senden. (Im Vergleich zur enormen US-Wirtschaft betrug das US-Verteidigungsbudget im Jahr 2021 733 Milliarden US- Dollar , sodass eine Flotte von 100 Raumschiffen zum oben genannten Preis weniger als 0,2 % davon ausmachen würde).

Nun, um meine erste Schmelze/Fabrik einzurichten, wie viel Masse würde ich brauchen? Lassen Sie uns eine sehr niedrige Messlatte anlegen und sagen, dass sie in der Lage sein muss, 1 Tonne Material pro Tag zu verarbeiten. Zum Vergleich: Eine ziemlich primitive Erzhütte mit Technologie aus dem späten 19. Jahrhundert könnte 20.000 Tonnen pro Tag verarbeiten. Aber wissen Sie, wir sind im Weltraum. Stuff ist ein bisschen härteres Zitieren, das dort benötigt wird. Wir werden also Zugeständnisse machen, indem wir die Produktion um das Tausendfache reduzieren. Wenn Sie jedoch darüber nachdenken, würde sogar die Herstellung von 1 Tonne Material, sagen wir Aluminiumstangen oder Eisenstangen, pro Tag die Baukosten für Lebensräume auf dem Mond drastisch senken, da jede Tonne, die Sie lokal produzieren, eine Tonne ist, die Sie nicht tun teuer von der Erde schleppen müssen, vor allem für Schüttgüter,

Also, wie klein kann diese Art von Aufbau in Bezug auf die Masse sein?

100 t sind mehr als genug, um die Produktion auf dem Mond zu fördern, es ist eng mit dem Bootstraping-Problem verbunden. Aber das Problem ist - machen Sie es richtig - weil es mehr als einen Weg gibt, und ein typischer nicht so intelligenter Ansatz kann mehr als das Militärbudget kosten und nichts Wesentliches bringen. In diesem frühen Stadium über Habs nachzudenken bedeutet im Grunde, jede gute Option zu kürzen, bevor sie reif ist, auf 1 GW Stromerzeugung zu warten, bevor Sie sich in diese Richtung bewegen, sich auf automatisierte Teleoperation zu verlassen, bevor Sie dieses 1 GW in der Energieerzeugung erreichen, was eine Basis für den Start sein kann einige habs und so.
Oh Mann, du verwendest hier sogar harte Wissenschaft, du fragst zu viel, es gibt nicht so viele Arbeiten zu diesem Thema im Allgemeinen, eine Handvoll und die meisten davon alt, und eine frische ist wie 5 Jahre alt und war in dem Moment veraltet, in dem sie war out und es ist nicht schwer genug, um als gute Wissenschaft zu gelten, mein Tipp stufte es herunter, wb kann kaum eine reguläre Antwort auf Ihr Thema geben, ohne von hs zu sprechen. // Außerdem hat es wieder mit Eroei zu tun, genau wie bei deinem Dyson-Schwarm-Problem, du hast dort keine gute Antwort bekommen, und dieses Problem ist noch schwieriger.
auf wissenschaftsbasiertes Tag umgestellt
Sind die meisten Materialien nicht bereits auf dem Mond? Sie brauchen also nur die Maschinen zum Abbauen / Graben und genug Nahrung / Wasser, um bis zur nächsten Nachschub- / Besatzungsschicht zu reichen (?). Dann wächst das Ding exponentiell.
@Len - traditionell sind "Maschinen zum Minengraben" sehr masseintensiv. Genauso wie das Schmelzen. Und Wärme für bergbaubezogene Aktivitäten ist auf dem Mond etwas schwieriger zu bekommen. Außerdem müssen Sie eine Menge Regolith durcharbeiten, bevor Sie zu nützlichen Mineralien gelangen. Auch wenn die Materialien dort sein mögen, sind sie an verschiedenen Orten auf dem ganzen Mond verstreut, genau wie auf der Erde.
@jdunlop: Die Heizung ist den halben Monat kostenlos, wenn Sie genügend Spiegel haben. Keine Konvektion bedeutet, dass Ihr größeres Problem darin besteht, die Dinge abzukühlen !!
@jdunlop, aber nicht rückgängig zu machen. Die Maschinerie würde schrittweise hochgefahren und sie könnten mithilfe von Satellitenbildern und geochemischen Untersuchungen die höchste Konzentration an Mineralien im Voraus lokalisieren.
@JoeBloggs Maschinen mit einem chemischen Kühlmittelsystem?
@Len - das ist wirklich mein Punkt. "Sie brauchen nur" unterbietet die Tonnage und den Umfang des erforderlichen Vorgangs. Auch chemisches Kühlmittel hilft nicht, wenn man nicht irgendwo eine Senke für die Wärme hat.
Ironischerweise vermute ich, dass SpaceX selbst diese Frage beantworten könnte ...
Ich denke, die erste Anlage, die eingerichtet werden würde, wären Sonnenkollektoren, um Strom zu liefern. Dann Pflanzen, um einen geeigneten Treibstoff für Ihre wiederverwendbaren Raketen abzubauen und zu verarbeiten. Dies wird ihre Nutzlast erhöhen, da sie keinen Treibstoff mitbringen müssen, um den Mond zu verlassen und die Erdumlaufbahn zu erreichen. Dann können Sie in die wirtschaftlich sinnvollere Richtung expandieren. (Helium 3, wir kommen!)
Es ist eher eine Frage, welche Art von Masse. 100 t zufälliges Zeug ist nicht so gut wie eine 10 t-Maschine, die zufälliges Zeug aus Mond-Regolith bauen kann.
@DuncanDrake Solar wird selbst auf dem Mond nicht genug Energie für die Schwerindustrie produzieren. Wasser spalten, um Sauerstoff zu erzeugen? CO2-Wäscher beheizen, um sie zu regenerieren? Erz zu Stahl und Aluminium schmelzen? Sie können vielleicht 300 Watt pro Quadratmeter aus Sonnenkollektoren auf dem Mond herausholen, nur geringfügig mehr als auf der Erde. Die besten Hütten der Welt brauchen 13 Kilowattstunden, um 1 kg Aluminium herzustellen. Um also diese eine Aluminiumstange herzustellen, benötigen Sie etwa 43 Quadratmeter Platten. Lunar Homesteaders werden sich sehr schnell auf der Suche nach einem Atomreaktor wiederfinden.
@stix Ich stimme nicht zu. Solarenergie wäre im Vergleich zur Kernenergie die bessere Wahl. Bedenken Sie, dass eine Kernreaktoranlage eine große Menge an zusätzlicher Ausrüstung zum Betrieb benötigt, nicht nur den Kernreaktor selbst. Auf der Erde stehen Kraftwerke in der Nähe von Wasserquellen, sie brauchen viel Wasser. Sie wollen nicht all das Wasser (und alles andere) von der Erde holen. Sie könnten das Wasser auf dem Mond verwenden, wenn es unterirdisch im Überfluss vorhanden ist. Aber dann wirst du Energie brauchen, um es zu extrahieren und zu verarbeiten. Zuerst Sonnenkollektoren. Dann kannst du erweitern.
@DuncanDrake 1/2 Auf der Erde müssen sich aktuelle Kernkraftwerke in der Nähe von Wasserquellen befinden, da sie so konstruiert sind und auf alten U-Boot-Reaktorkonstruktionen basieren. Es ist durchaus möglich, einen Kernreaktor zu konstruieren, der sich nicht in der Nähe eines großen Gewässers befinden muss. Mit einer Serviettenrückseitenrechnung kommt Solar einfach nicht zurecht. Ihre Energiedichte ist viel zu gering. Sie werden Tonnen und Tonnen von Aluminium, Stahl und Titan benötigen, um eine autarke Mondkolonie zu unterhalten. Machen Sie jetzt die Mathematik und berechnen Sie das Gewicht und, was noch wichtiger ist, die Oberfläche, die Sie in Solarmodulen benötigen, um dies zu erreichen.
@DuncanDrake 2/2 Und auf der Erde wird die gesamte Wärme des Reaktors verschwendet, indem sie ins Wasser geleitet wird, da Sie nur daran interessiert sind, Strom zu erzeugen. Auf dem Mond würde man das mit ziemlicher Sicherheit als Prozesswärme einfangen und nutzen, was für Schmelzen und chemische Verfahrenstechnik wichtiger wäre als Strom.
@stix Vielleicht setzen Sie diese Serviettenkalkung auf eine Antwort, also stellt sie als Befürworter der Atomkraft auf dem Mond zumindest einige Mindestmassenanforderungen, da wir in einigen Fällen wissen, wie viel Masse sich in einem Reaktor befindet, und mit 100 t pro Schiff es kann eine Option sein, wird es oder nicht, hängt davon ab, was wir als Endergebnis haben möchten. Aber die Bequemlichkeit der Kernkraft als stetige Energiequelle und auf Abruf ist sicher da. Auch was einem auf dem Mond nicht fehlt, ist Platz, 43 Quadratkilometer Solar für die Aluminiumherstellung, eh - warum nicht, da ist nichts, Ödland

Antworten (2)

Schauen wir uns an, was zum Schmelzen beliebiger Erzmengen benötigt wird. Erstmal was schmelzt du? Verschiedene Gegenstände schmelzen bei unterschiedlichen Temperaturen (z. B. Eisen hat 1500 °C, während Aluminium etwa 650 °C hat – https://www.metalsupermarkets.com/melting-points-of-metals/ ). Zum Schmelzen der Gegenstände benötigen Sie einen Behälter, der der erforderlichen Schmelztemperatur standhält. Für viele der benötigten Materialien können Sie tatsächlich eine Schüssel im Regolith aushöhlen und diese zum Schmelzen verwenden, sofern eine brauchbare Wärmequelle und ein Mittel zum Ablassen der Metalle vorhanden sind. Es schmilzt zwischen 1350 und 1600 Kelvin, was etwa 1000-1300 Grad Celsius entspricht.

Als Wärmequelle gibt es viele Arten von Salzschmelzreaktoren, die relativ leicht sind und die erforderliche Wärme erzeugen können ( http://fhr.nuc.berkeley.edu/wp-content/uploads/2014/09/AHTR.Nuclear. Technology.Article.May20.2003.pdf ) vorausgesetzt, Sie können die überschüssige Wärme abführen.

Als nächstes benötigen Sie die erforderliche Bergbauausrüstung. Ein großer Bagger wiegt ungefähr 50 Tonnen ( https://www.gregorypoole.com/new-equipment/machines/excavators/352f-l-hydraulic-excavator/ ) und die erforderlichen Batterien würden weitere 2-3 Tonnen wiegen. Einer sollte für den Anfang reichen. Neben dem Graben benötigen Sie einen Schlepper. Da es sich um ein Geländefahrzeug handeln muss, wiegt eine Tonne mit 42 Tonnen etwa 8 Tonnen ( https://www.gregorypoole.com/new-equipment/machines/off-highway-trucks/770g-off-highway-truck/ ). Wieder sehen Sie sich weitere 2-3 Tonnen für Batterien an.

Als nächstes benötigen Sie Ladeinfrastruktur. Dies würde ein Mittel zur Umwandlung der Reaktorwärme in Elektrizität erfordern. Da Dampf in einer 0-Druck-Umgebung kein effektives Medium ist, sehen Sie sich wahrscheinlich Thermovoltaik an. Viele, wenn nicht alle US-Weltraummissionen nutzten diese Methode zur Stromversorgung ihrer Trägerraketen ( https://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator ). Dies ist eine leichte Lösung (Potonium liefert ca. 140 W/g), um Batterien aufzuladen und die Arbeiter vor Ort bei Bedarf mit Strom zu versorgen.

Endlich gibt es Wohnungen für Arbeiter. Bigelor Aerospace hat gerade sein Mondmodul B330 mit einem Startgewicht von 23 Tonnen in Planung und bietet 113 Quadratmeter Fläche, 330 Kubikmeter Gesamtvolumen. 2 oder 3 davon würden ausreichend Platz für Arbeiter bieten.

Also für Gesamtgewichte haben wir

  • 170t (Salzreaktor)
  • 50t (Bagger)
  • 8t (Muldenkipper)
  • 10t (Lithium-Ionen-Batterien - großzügige Schätzung)
  • 23t (Wohnen)
  • 1t (Leistung)
  • 20t (Sauerstoff, Wasser, Stickstoff (LKW-Reifen) und andere Kleinigkeiten)

Ich denke, das ist alles, was Sie brauchen würden, wenn Sie Regolith zum Laufen bringen könnten - Keramik könnte dazu beitragen, Wärme im Regolith zu halten, um ein Schmelzen durch übermäßige Hitze zu vermeiden - fügen Sie dafür weitere 10-20 t hinzu.

Zusammenfassend sehen wir uns also ungefähr 302 Tonnen an. Unter der Annahme einer Hubnutzlast von 16,8 t (Falcon Heavy to Trans Mars Injection Nutzlast, um die Mondlandung und Rückkehr zu ermöglichen) schätzen wir ungefähr 18 Aufzüge. Wenn wir es 20 Aufzüge für Flexibilität nennen, sehen Sie sich 100 Mio. bis 200 Mio. USD an, um den Prozess zu beginnen.

Zur weiteren Überlegung sollten Sie sich auch ansehen, welche Materialien für Ihre Basis benötigt werden, da sie zum Schutz vor Strahlung und zum Verhindern von Luftlecks gebaut wird, da viele der geschmolzenen Materialien von Natur aus etwas porös sind. Sie benötigen wahrscheinlich eine Art Kunststoff- oder Keramikauskleidung, die auf das Innere gesprüht werden kann, sowie zahlreiche Luftschleusen im Falle eines Bruchs (Asteroiden sind weitaus häufiger als auf der Erde). Es kann klüger sein, Ihre Bergbauausrüstung zu verwenden, um Tunnel mehrere hundert Fuß unter der Erde für eine Schutzschicht auszuhöhlen und sie mit geschmolzenem Regolith auszukleiden. Aber das ist nur meine Meinung zu dem Thema :)

Viel Glück dabei.

Könnten Sie Spiegel verwenden (entweder auf der Sonnenseite oder viel mehr im Orbit), um zu vermeiden, dass Sie einen Salzreaktor haben müssen?
Möchten Sie nicht immer noch Dampf oder eine Art Arbeitsflüssigkeit in einem geschlossenen System verwenden, anstatt Thermovoltaik, die sehr ineffizient ist? Der Grund für RTG-Thermovoltaik in Raumsonden sind keine beweglichen Teile für eine lange Lebensdauer, aber dadurch bekommen sie nur etwa 100 Watt aus ihnen heraus. Es scheint, als würde ein bemannter Standort viel mehr Energie benötigen und könnte eine zusätzliche Wartung eines kompakten Hochleistungsreaktors rechtfertigen.
@SerbanTanasa Zu große Chance, dass Spiegel beschädigt oder mit Staub beschichtet werden. Mikrometeoriten werden im Laufe der Zeit das Reflexionsvermögen beschädigen, wenn nicht sogar die Integrität von Spiegeln, und Staub, der durch den Bergbau verursacht wird, setzt sich nicht so schnell ab wie auf der Erde und wird sich auch ungefähr in die gleiche Richtung fortsetzen, in der er sich bewegt hat (geringe Schwerkraft, keine Atmosphäre). ). Hinzu kommt die Gewichtsüberlegung: Wie viele Spiegel werden benötigt? Welche Infrastruktur zur Unterstützung dieser Spiegel? Welcher Schutz bei direkter Sonneneinstrahlung?
@Brianorca Das Problem mit Dampf ist, dass er zum Drehen einer Turbine verwendet wird, um Strom zu erzeugen. Das bedeutet, dass alles in einem Druckbehälter eingeschlossen sein muss. Da Dampf aus Wasser stammt, haben Sie jetzt das Gewicht des Wassers, der Turbine und des Gehäuses. Da Wasser je nach Luftdruck bei einer niedrigeren Temperatur kocht, welche Wirkung wird der Druck auf dem Mond haben? Daher benötigen Sie den versiegelten, unter Druck stehenden Behälter. Wir sehen erhebliche Gewichtsunterschiede.
@Brianorca Entschuldigung, ich hatte keinen Platz mehr :) Wie ich oben gezeigt habe, sind RTGs zwar stromsparend, aber auch extrem leicht (140 W / g Kraftstoff), was eine erhebliche Kapazität zur Anpassung der Leistung nach Bedarf ermöglicht. Auch Redundanz ist extrem wichtig. 1 Turbine. 1000 RTGs. Der Verlust einer Turbine ist für alle Arbeiter katastrophal. Der Verlust von 100 RTGs ist eine Unannehmlichkeit. Auch hier betrachten wir das Gesamtbild aus Effizienz, Gewicht, Sicherheit und Effektivität. Eine Turbine ist ein Ideal für Effizienz und Effektivität, aber leider fehlt es in den anderen Kategorien ein wenig.

Nur wenige Kilogramm!

Das Konzept der konvergenten Montage ( http://www.zyvex.com/nanotech/convergent.html ) gibt es seit Jahrzehnten, wurde aber lange als Lösung auf der Suche nach einem Problem angesehen. Meiner Meinung nach wird die Weltraumkolonisation seine Killer-App sein.

Kurz gesagt, unsere moderne Vorstellung davon, was eine Fabrik ist und wie sie aussieht, ist ein Relikt aus dem Maßstab der Technologie vor dem 20. Jahrhundert. Auch in irdischen Industrien, in denen Zeit Geld ist, gibt es einen verständlichen Impuls, die Herstellungszeiten gewünschter Güter zu minimieren, indem im Wesentlichen Energie und Masse gegen Zeit eingetauscht werden. Wenn es um die Weltraumkolonisation geht, kehrt sich diese Gleichung jedoch um. Energie und Masse werden sehr kostbar, während Zeit für alle praktischen Zwecke unbegrenzt ist.

In Anbetracht dessen müssen wir keine großen Fabriken in andere Welten schicken, um den Prozess der Industrialisierung zu beginnen. Wir könnten stattdessen Cluster von automatisierten Fabriken im Millimaßstab (1/1000) schicken, die unabhängig vor Ort zusammenarbeiten, um Fabriken und Werkzeuge im Centi-Maßstab herzustellen. Diese arbeiten dann zusammen, um Fabriken und Werkzeuge im Dezimaßstab zu produzieren, die schließlich alle zusammenlaufen, um Fabriken und Werkzeuge im Originalmaßstab zu produzieren. Der Ressourcen- und Energiebedarf würde allmählich und proportional mit der Größenordnung wachsen, was dazu beitragen würde, die Effizienz im Laufe der Zeit zu maximieren. Jede Scale-Generation hätte auch die Möglichkeit, die vorherige Generation wieder in Rohstoffe zu recyceln.

Interessanterweise würde das Bootstrapping eine Phase des umgekehrten Prozesses erfordern. Wir müssten Fabriken und Werkzeuge in Originalgröße verwenden, um die Fabriken und Werkzeuge im Dezi-Maßstab herzustellen, um die Fabriken und Werkzeuge im Centi-Maßstab herzustellen usw. Dieser Prozess würde Erfindungen und Technologien erfordern, die eine beliebige Anzahl anderer marktfähiger Anwendungen haben würden es könnte sich auch finanziell selbst aufrüsten.

Konzeptionell ist es mit moderner Technik realisierbar. Es würde nur eine Menge von etwas erfordern, das die Menschen nur ungern einräumen: Zeit.

Wir haben keine Produktionskapazitäten im Dezimaßstab oder in einigen Fällen eine untere Grenze. Deci bedeutet etwas unter 10 cm, als 10-100 haben wir einiges, aber es ist eine Masse, nicht ein paar kg. Aber schönes Antwortkonzept.
Wie viel Masse müssen wir zum Mond schicken, um dort eine nützliche Fabrik zu errichten?
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