Wie machbar ist es, Aluminium und flüssigen Sauerstoff als zukünftige Treibstoffe vom Mond zu verwenden?

Ich habe untersucht, ob es eine Möglichkeit gibt, Treibmittel vom Mond selbst zu beziehen, um eine zukünftige Basis und Raumstationen im cis-Mondraum zu unterstützen. Ich habe zwei Dokumente gefunden, in denen untersucht wurde, wie insbesondere Aluminium in Kombination mit flüssigem Sauerstoff funktionieren könnte.

Einer ist von Wickman Spacecraft & Propulsion , die sagen:

Eine zusätzliche Option, die mit Aluminium verfügbar ist, besteht darin, das Aluminiumpulver in geliertem LOX zu suspendieren, um einen Monotreibstoff zu bilden ... Als Teil unserer Forschung haben wir einen kleinen Raketenmotor hergestellt, der mit dem LOX-Aluminium-Monotreibstoff betrieben wird ... Der Treibstofftank war umgeben von ein flüssiges Stickstoffbad, um das LOX am Abkochen zu hindern. Die Treibstoffzuleitungen verliefen auf ihrem Weg zur Brennkammer durch ein flüssiges Stickstoffbad. Ein Kolben drückte gegen das Treibmittel, um das Treibmittel in die Raketentriebwerkskammer einzuführen. Während der Schub nur etwa ein Pfund betrug, wurde der Motor mehrmals gestartet und gestoppt, ohne dass die Verbrennungsflammenfront in den Treibstofftank zurückschlug.

Das andere stammt aus einem Dokument namens Moon Miner's Manifesto , das auf der Website der Artemis Society International gehostet wird :

Aluminium und Sauerstoff allein liefern einen etwas geringeren spezifischen Impuls als die meisten Kohlenwasserstoffe. Broweret al. Erwarten Sie einen Wert von 285 Sekunden ... Ein [Motordesign] wäre, Aluminiumpulver zu pumpen, wie wir es mit Flüssigkeiten tun. In diesem Fall wird es wahrscheinlich notwendig sein, ein Trägergas zusammen mit dem Pulver zu verwenden, um zu verhindern, dass die Aluminiumkörner im Vakuum verschweißen oder durch elektrostatische Kräfte zusammenkleben ... Eine andere Technik ist ein Hybrid-Raketentriebwerk, das festes Aluminium und flüssigen Sauerstoff verwendet. Ein konzeptionelles Design für einen solchen Motor wurde von Brower et al. Ihr Design erfordert eine sechseckige Anordnung von Aluminiumstäben über die Länge der Brennkammer. Flüssiger Sauerstoff würde zur regenerativen Kühlung die Stäbe hinunter geführt, bevor er die Flamme an den Stabspitzen erreicht. Der Motor könnte nur Sauerstoff und Aluminium verwenden oder könnte einen Tritreibstoffbetrieb mit Wasserstoff verwenden.

Die Brower et al. Papier wurde auf der 26. Joint Propulsion Conference 1990 vorgestellt und ist im Katalog der AIAA enthalten.

Offensichtlich braucht dies viel Entwicklung, aber auf den ersten Blick scheint es, als könnte es Vorteile gegenüber dem üblichen Vorschlag an dieser Stelle haben - Wassereis von Asteroiden oder von dauerhaft beschatteten Kratern an den Mondpolen zu gewinnen (falls in angemessener Menge vorhanden und Konzentrationen) und deren Aufspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff für den Einsatz in H 2 /LOX-Motoren.

Das Mondhochland besteht größtenteils aus Anorthit (CaAl 2 Si 2 O 8 ), einem Mineral, das zu 15 % aus Aluminium und zu 62 % aus Sauerstoff besteht. Regionen, die zu 80 % aus Anorthit oder mehr bestehen, scheinen weit verbreitet zu sein. Die Sauerstoffextraktion wurde in einer Reihe von Artikeln diskutiert , sie erfordert das Erhitzen von Regolith auf über 1100 Grad Celsius, damit die Mineraloxide dissoziieren und der Sauerstoff gesammelt werden kann.

Bearbeiten: Ich habe in der SE Chemistry-Community danach gefragt und eine Antwort von Jon Custer erhalten:

Feinpulver-Ausgangsmaterial ... in eine Lichtbogenentladung zum Verdampfen und Ionisieren ... elektrostatische Beschleunigung, dann Elektromagnete zur Massentrennung. Stromversorgung mit einem Solarpanel-Array. Keine beweglichen Teile (außer der Pulverzufuhr). Keine Vakuumsysteme erforderlich. Und Sie trennen alle Elemente auf einmal.

Ich wurde von TildalWave darauf hingewiesen, dass dies sehr viel Strom und Kühlmittel erfordern würde. Mir kam der Gedanke, dass das Kühlmittel vielleicht vermieden werden könnte, indem der gesamte Trennmechanismus auf Schienen gestellt wird, auf einer langen schattigen Strecke, die neben Ihrem Solarpanelfeld verläuft. Wenn Sie den Separator so einrichten, dass er die Metall- und Schlackenprodukte direkt auf den Boden unter der Schiene entleert, während er sich entlang bewegt, ist es vielleicht nur eine Frage, wie Sie den Durchfluss und die Geschwindigkeit erreichen, mit der sich der Separator richtig bewegt, und die Kühlung könnte passiv erfolgen. Auf dem Boden würden lineare Spuren von Metallen und Schlacken zurückbleiben, die ihre Wärme langsam abstrahlen könnten, bis sie kühl genug sind, um gesammelt zu werden. Es gibt wahrscheinlich Gründe, die nicht funktionieren würden, aber mir muss gesagt werden, was sie sind.

Könnte ein Prozess in dieser Richtung mit dem Asteroidenabbau konkurrieren? Was sind die Probleme und Hürden?

Die Verwendung von vom Mond stammendem Magnesium, Phosphor oder Schwefel in Kombination mit LOX wurde ebenfalls in der Wickman-Studie untersucht. Übrigens möchte ich sagen, dass ich vielleicht Probleme habe, hier über das Wochenende zu antworten, aber ich interessiere mich sehr dafür und werde mich am Montag darum kümmern, wenn ich nicht früher kann.
Würde das Trennen des Aluminiums nicht etwas in der Art eines automatischen Schmelzautomaten erfordern (wahrscheinlich bei sehr hohen Temperaturen oder mit ätzenden Chemikalien)? Der große Vorteil, den ich bei der Verwendung von Wasser (zur Elektrolyse in seine Bestandteile als Brennstoff und Oxidationsmittel) sehe, besteht darin, dass Wasser leichter zu extrahieren wäre, da seine Verdampfungstemperatur so viel niedriger ist. Ich habe gerade eine Suche durchgeführt und festgestellt, dass es im Regolith riesige Mengen an Aluminiumoxid und Anorthosit gibt (ich wusste es nie!). Ich frage mich, wie machbar eine reine Aluminiumoxid-Elektrolyse ist ... jedenfalls interessante Frage!
Ich habe eine Arbeit von CL Senior mit dem Titel „Lunar Oxygen Production by Pyrolysis“. Ich weiß nicht mehr, woher ich es habe, ich habe es in meinen Dateien gefunden. Darin schlug er vor, dass Temperaturen von bis zu 3000 K durch Konzentrieren von Sonnenlicht erreicht und zur Dampftrennung verwendet werden könnten. Ich habe jetzt keine Zeit mehr darüber nachzudenken. Ich liebe den Gedanken daran.
Hier auf der Erde wird Tonerde in geschmolzenem Kryolith gelöst. Das gelöste Aluminiumoxid wird durch Elektrolyse in Aluminium und Sauerstoff gespalten. Ein energieintensiver Prozess sowohl in Bezug auf thermische als auch elektrische Watt.
Erfordert die Solarpyrolyse einen transparenten, luftdichten Ofen? Abrasiver Mondstaub würde Dichtungen und Dichtungen höllisch ausreißen. Würden Felsen explodieren, wenn sie auf 3000 K erhitzt werden? Ich stelle mir den Ofen vor, der eine turbulente Wolke aus überhitztem Gas und Staub enthält. Eine Wolke, die eine transparente Wand sandstrahlen würde, um sie undurchsichtig zu machen.

Antworten (2)

Hier spielen mehrere Probleme eine Rolle.

  1. Müssen die benötigten Rohstoffe auf dem Mond gefunden werden?
  2. Können die Rohstoffe realistisch auf dem Mond geerntet werden?
  3. Können die Rohstoffe auf dem Mond zu einem Raketentreibstoff verarbeitet werden?
  4. Sind Raketentriebwerke, die dieses Treibmittel verwenden, machbar?
  5. Gibt es dafür geeignetere Materialien auf dem Mond?

Schauen wir sie uns der Reihe nach an:

Müssen die benötigten Rohstoffe auf dem Mond gefunden werden?

Gemäß dem zitierten Papier des OP sind die Materialien auf dem Mond in ausreichender Menge vorhanden. Dies wird durch viele Quellen gut bestätigt, wie bei Wikipedia gezeigt wird .

Können die Rohstoffe realistisch auf dem Mond geerntet werden?

Ja, das können sie, und tatsächlich wurden sie von Apollo "geerntet". Viel Raffination wäre erforderlich, aber die Rohstoffe können leicht geerntet werden.

Können die Rohstoffe auf dem Mond zu einem Raketentreibstoff verarbeitet werden?

Gemäß dem oben zitierten Papier ist der Raketentreibstoff eine Aluminiumsuspension in LOX. Realistisch gesehen sehe ich nicht vor, dass diese Suspension in der tatsächlichen Produktion verwendet wird, aber die Forscher erwähnen, dass dies nicht die einzig mögliche Zubereitung ist. Vielleicht ist in der Umgebung des Mondes mit geringer Schwerkraft, niedrigem Druck und niedriger Temperatur ein leichter zu formendes und leichter zu handhabendes Gebräu machbar. In diesem speziellen Bereich ist zusätzliche Forschung erforderlich.

Sind Raketentriebwerke, die dieses Treibmittel verwenden, machbar?

Unter Verwendung eines vom OP zitierten Papiers scheint die Antwort wahr zu sein. Beim derzeitigen Stand der Technik (zugegebenermaßen sehr früh) scheinen nur kleine, leistungsschwache Motoren möglich zu sein. Der Mond ist jedoch eine Welt mit geringer Schwerkraft ohne nennenswerte Atmosphäre. Eine solche Anwendung mit geringem Stromverbrauch kann für das Springen von Mondstation zu Mondstation ausreichen.

Gibt es dafür geeignetere Materialien auf dem Mond?

Fast sicher. Als triviales Beispiel wird bei der Elektrolyse von Wasser (das zur Gewinnung des Sauerstoffs verwendet wird) Wasserstoff als Nebenprodukt erzeugt. Wasser ist jedoch an seinen Standorten auf dem Mond begrenzt, kann aber an einigen Orten gefunden werden.

Fazit

Auf der Grundlage des oben Gesagten komme ich zu dem Schluss, dass ein Aluminium-Sauerstoff-Raketentriebwerk bei einer etablierten Bergbau- und Produktionspräsenz auf dem Mond und bei ausreichender Leistung lokal gewonnenen Treibstoff für die Mondumrundung verwenden könnte . Ich gehe jedoch nicht davon aus, dass diese Technologie verwendet werden könnte, um Schiffe vom Mond zu anderen Zielen anzutreiben.

Anorthit-Lagerstätten in hohen Konzentrationen im Mondhochland sind gut bekannt. Der Isp von Aluminium/LOX ist schwer zu bekommen, liegt aber sicherlich über 200 und kann durch die Motorkonstruktion etwas verschoben werden. Das ist viel, um auf den und vom Mond und im cis-Mondraum zu gelangen. Es gibt auch keine Begrenzung der Motorgröße. Es gibt gute Gründe zu bezweifeln, dass Wasserstoff auf dem Mond wirtschaftlich verfügbar ist. An den Polen gibt es möglicherweise nicht genug Wasser, und anderswo gibt es auch keins und auch keinen Wasserstoff.
Andere mögliche Brennstoffe sind unter der Frage aufgeführt, aber jeder hat Probleme - Magnesium ist weniger stabil, Phosphor und Schwefel kommen in viel geringeren Konzentrationen vor. Aluminium ist die beste Option und deshalb haben sich andere, die sich damit beschäftigt haben, darauf konzentriert. Die Frage listete 3 mögliche Formate für das Aluminium auf und bevorzugte nicht das erste. Sobald eine Mondbasis eingerichtet war (im Gegensatz zu einer Kolonie), wäre eine Extraktionsstation die erste industrielle Aktivität auf dem Mond. Nichts anderes macht Sinn, es sei denn, Sie haben eine lokale Kraftstoffquelle.
Ich glaube, dass wir uns in den meisten Punkten einig sind, mit Ausnahme der Priorität, die der lokalen Produktion eingeräumt wird. Da dies Spekulationen auf beiden Seiten sind, sehe ich keinen Grund, meinen Standpunkt zu betonen. Abhängig von den Zielen der Kolonie könnten beide Optionen funktionieren. Vielen Dank.
Dann muss Ihre Antwort stark bearbeitet werden. Die Leute lesen oft Antworten, aber nicht die Kommentare unten. Wenn wir zustimmen, müssen viele Punkte in Ihrer Antwort geändert werden. Der Punkt über die lokale Treibstoffproduktion kann durch die Feststellung gemacht werden, dass eine Rakete, die einer Saturn V entspricht und zum Mond gestartet wird, um Treibstoff zu liefern, eine Basis nur mit etwa 5 Tonnen davon versorgen könnte. Unter großzügiger Berücksichtigung von Kosteneinsparungen durch möglicherweise wiederverwendbare untere Raketenstufen, sagen wir, das kann für 100 Millionen Dollar gemacht werden. Das sind immer noch 20.000 $ /kg, und es wird nicht weit kommen. Geben Sie 5 Milliarden US- Dollar für die Al/LOX-Produktion aus, die Sie mit 250 Tonnen Produkt wieder hereinholen.
Das Ganze ist Spekulation. Ich habe in meiner Antwort spekuliert, und Sie haben gegenspekuliert, und ich habe zugestimmt, dass Ihre Gegenspekulation ebenfalls gültig ist. Aber sie sind beide noch Spekulation. Sie können Ihre Spekulation gerne in die Antwort einfügen, wenn Sie möchten, aber die Antwort kann niemals "vollständig" sein, da es sich immer noch um Spekulation handelt.
"Ein Aluminium-Sauerstoff-Raketentriebwerk könnte Kraftstoff aus der Region verwenden, um um den Mond zu jagen", nehme ich an, dass dies auf dem Problem der "niedrigen Leistung" beruhte. Offensichtlich bedeutet das, dass wir alle Forschungen zu Ionenantriebssystemen einstellen sollten, da sie noch weniger Leistung haben und daher niemals verwendet werden könnten, um sehr weit zu kommen ... Wo sind die Delta-Vs?
Ich stelle Ihre Antwort auf 2 in Frage. Siehe meine Kommentare unter dem OP. Zum jetzigen Zeitpunkt glaube ich, dass der Abbau von Mondaluminium schwierig sein würde.

Ich werde auf die Beine gehen und vorschlagen, dass die Technologie zur Veredelung des Erzes funktioniert, ebenso wie die Fähigkeit, die Rakete herzustellen. Hier ein paar Dinge zum Nachdenken:

  1. Unter der Annahme eines ISP von beispielsweise 200 würde eine geeignete Mischung aus 1/3 Masse und 2/3 Treibstoff ausreichen, um eine Mondumlaufbahn zu erreichen. Bei einem Kraftstoffverhältnis von 4/5 könnten Sie direkt zur Erde zurückkehren.
  2. Die Herstellung des LOX auf dem Mond wäre ein ziemlich schwieriges Problem, da es die ganze Zeit über kühl gehalten werden müsste.
  3. Feststoffe wurden noch nie wirklich in Raketen verwendet (abgesehen von Feststoffraketen, die ein anderer Mechanismus sind). Dies wäre eine Hybridrakete, die Feststoffe pumpt, was eine Herausforderung darstellt. Außerdem müssten Sie das Aluminium als Staub haben, der abrasiv sein könnte.
  4. Dies scheint eine ziemlich riskante Sache für eine bemannte Mission zu sein, hauptsächlich basierend auf Nr. 3. Sie erhalten einen relativ kleinen Gewichtsboom, aber mit einer viel riskanteren Rakete.

Ich könnte dies als eine Rückkehrstufe für eine Mondminenmission sehen, aber nicht für eine bemannte Mission. ISRU ist für eine Mondmission einfach nicht so wichtig wie für eine Marsmission.

Wie machbar ist es, Aluminium und flüssigen Sauerstoff als zukünftige Treibstoffe vom Mond zu verwenden?
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