Добыча углерода (опционально)

Добыча углерода (опциональный модуль)

Статус: Опциональное расширение. Базовый завод работает БЕЗ углерода.

Зачем нужен углерод?

Применение Расход Приоритет
Углеродные аноды MRE ~10 кг/день Высокий (замена дорогого иридия)
Графитовые смазки ~1 кг/день Средний
Легированная сталь 1-1.4% C Низкий (Fe-6%Mn достаточно)

Вывод: Основное применение — замена иридиевых анодов углеродными. Это снижает зависимость от импорта.

Источник углерода

LRM (Low Reflectance Material) — тёмные зоны на поверхности Меркурия. Это древняя графитовая кора, сформировавшаяся 4.6 млрд лет назад при остывании магматического океана.

Параметр Значение
Содержание C в LRM 1-3% (MESSENGER, Peplowski et al. 2016)
Происхождение Графит всплыл на поверхность магматического океана
Форма Кристаллический графит (не аморфный углерод)
Температура сублимации 3640°C (не плавится при MRE)

Процесс извлечения

При MRE-электролизе LRM-обогащённого реголита графит не плавится (Tсублимации = 3640°C > Tрасплава = 1500°C). Частицы графита всплывают на поверхность расплава как пена и снимаются скиммером вместе со шлаком.

Этап Описание
Добыча Роботы собирают реголит из LRM-зон (тёмные участки)
Плавка MRE при 1500°C — графит не растворяется
Флотация Графит (ρ=2.2 г/см³) всплывает на поверхность
Сбор Скиммер снимает графитовую пену
Очистка Термическая возгонка примесей

Выход: При переработке 200 т LRM-реголита/день (~2-3% C): 4-6 т графита/день.

Источник: Peplowski, P.N. et al. (2016). “Evidence for geochemically distinct regions on Mercury.” Nature Geoscience. Johns Hopkins APL

Комплексы «Карбон»: мини-заводы по добыче графита

Проблема: LRM-зоны (с графитом) находятся на экваториальных широтах, а основные заводы — на полюсах.

Кратер Широта Расстояние до полюса Содержание C
Rachmaninoff 27°N ~2800 км до 4%
Tolstoj 16°S ~5800 км 2-3%

На полюсах графита НЕТ — там обычный реголит + водяной лёд.

Комплексы «Карбон» — это полноценные мини-заводы, а не просто «станции сбора». Они:

  1. Добывают и перерабатывают LRM-реголит
  2. Извлекают графит (основной продукт → на полюс)
  3. Извлекают Al, Fe, Si (для собственных нужд)
  4. Сами строят мини масс-драйвер для доставки графита

Архитектура: два комплекса

На экваторе ночь длится ~88 земных суток. Один комплекс простаивал бы половину времени.

Решение: Два комплекса на противоположных полушариях. Когда у одного ночь — работает другой.

        СЕВЕРНЫЙ ПОЛЮС (завод "Точка Ноль")
                    ●
                   /|\
    [МД-графит] ←─────── Карбон-Север (Rachmaninoff, 27°N)
                   │
    [МД-графит] ←─────── Карбон-Юг (Tolstoj, 16°S)
                   \|/
                    ●
        ЮЖНЫЙ ПОЛЮС
Комплекс Локация Диаметр кратера Расстояние до полюса
Карбон-Север Rachmaninoff, 27°N, 58°E 305 км ~2800 км
Карбон-Юг Tolstoj, 16°S, 163°W 390 км ~5800 км

Технологический процесс на комплексе

LRM-реголит (200 т/день) → Дробление → MRE-плавка (1500°C)
                                            ↓
                          ┌─────────────────┼─────────────────┐
                          ↓                 ↓                 ↓
                     ГРАФИТ            ТЯЖЁЛЫЕ            ШЛАК
                   (всплывает)        (Fe, тонут)      (Al, Mg, Si)
                          ↓                 ↓                 ↓
                     Скиммер           МГД-насос        Дистилляция
                          ↓                 ↓                 ↓
                     Упаковка          Литьё            Раздельные
                     → МД              → рельсы         металлы

Выход материалов (200 т LRM-реголита/день):

LRM-реголит содержит те же элементы, что и обычный реголит, плюс 2-3% графита:

Элемент В LRM-реголите Выход (200 т/день) Назначение
Графит (C) 2-3% 4-6 т/день → полюс (МД)
Алюминий (Al) ~7% ~14 т/день Рельсы МД, обмотки
Железо (Fe) ~2% ~4 т/день Каркас тоннеля МД
Кремний (Si) ~25% ~50 т/день Шлак (не используется)

Сводка: комплекс Карбон vs основной завод

Параметр Основной завод Комплекс Карбон
Реголит/день 600 т 200 т
Основной продукт Зеркала Графит
Побочные продукты Все металлы → промышленность Al, Fe для себя
Масс-драйвер 3 км, 1300 т 500 м - 1 км, ~330 т
Роботов ~60 ~10
Энергия ~124 МВт ~5 МВт
Bootstrap с Земли 62 т ~10 т

Мини масс-драйверы

Назначение

Доставка графита с экваториальных LRM-зон на полярные заводы. Каждый комплекс «Карбон» строит собственный мини масс-драйвер из местных материалов.

Сравнение с основным МД

Параметр Основной МД (полюс) Мини МД (Карбон)
Назначение Запуск зеркал на орбиту Доставка графита на полюс
Расстояние На орбиту (бесконечность) 2800-5800 км
Целевая скорость 5 км/с 2-3 км/с
Длина 1 км 500 м - 1 км
Масса ~450 т ~330 т
Ускорение 1275g 20-25g
Груз/запуск 116 кг (зеркало) 100 кг (контейнер графита)
Энергия/запуск 3.6 ГДж 0.5-1 ГДж

Почему скорость ниже?

Для баллистического полёта внутри планеты не нужна орбитальная скорость. Достаточно достичь вершины параболы и упасть на приёмник.

Время полёта ≈ 2 × √(2h/g)

Для h = 300 км (апогей):
t ≈ 2 × √(600000 / 3.7) ≈ 800 сек ≈ 13 мин

С горизонтальной компонентой: 20-30 мин полёта

Мини масс-драйвер

Компоненты: каркас (сталь ~200 т), рельсы + обмотки (Al ~130 т), электроника (~2 т импорт)

Строительство мини МД

Комплекс Карбон сам производит материалы и строит мини МД.

Темп накопления (200 т LRM-реголита/день):

Материал Выход/день Нужно для МД Дней накопления
Алюминий ~14 т ~130 т ~10 дней
Железо ~4 т ~200 т ~50 дней

Этапы строительства:

Этап Длительность Роботов
Накопление материалов ~30 дней —
Рытьё траншеи (1 км) ~30 дней 3 Крота-М
Укладка каркаса ~15 дней 3 Кентавра-М
Монтаж рельсов и катушек ~15 дней 3 Кентавра-М
ИТОГО ~3 месяца

Энергопотребление

Параметр Значение
Кинетическая энергия (100 кг, 2.5 км/с) ~0.31 ГДж
С КПД 40% (затраты электричества) ~0.8 ГДж
При 50 запусках/день ~40 ГДж/день
Средняя мощность ~0.5 МВт

Расчёт: E = mv²/2 = 100 кг × (2500 м/с)² / 2 = 312.5 МДж ≈ 0.31 ГДж. С учётом КПД 40%: 0.31/0.4 ≈ 0.8 ГДж на запуск.

Доставка графита на полюс

Параметры доставки

Параметр Карбон-Север Карбон-Юг
Расстояние ~2800 км ~5800 км
Скорость запуска ~2 км/с ~3 км/с
Длина МД ~500 м ~1 км
Время полёта ~20 мин ~30 мин
Груз/запуск ~100 кг ~100 кг
Запусков/день ~50 ~50
Выход графита 4-6 т/день 4-6 т/день

Приёмник на полюсе

Компонент Описание
Сетка-ловушка Диаметр ~500 м, трос-сетка
Демпферы Поглощение удара (контейнеры прилетают со скоростью ~100 м/с)
Крабы-М 2 робота собирают контейнеры
Буфер Склад контейнеров перед переработкой

Расписание работы

Меркурианские солнечные сутки (176 земных дней):

Комплексы расположены со сдвигом ~140° по долготе (Rachmaninoff 58°E, Tolstoj 163°W).
Их циклы день/ночь сдвинуты примерно на 68 земных дней.

Примерное расписание:
- День 1-88:   Карбон-Север работает (день), Карбон-Юг в сумерках/ночи
- День 68-156: Карбон-Юг работает (день), Карбон-Север в сумерках/ночи

Периоды перекрываются → минимум один комплекс активен всегда.

Итого: Посменная работа обеспечивает непрерывную поставку ~5 т графита/день (от активного комплекса).

Развёртывание комплексов Карбон

Фаза 1: Bootstrap (первые 6 месяцев)

Комплекс Карбон:

Bootstrap с Земли (~10 т):

  • Роботы: 3 Крота-М, 3 Кентавра-М, 2 Краба-М (~5 т)
  • Мини MRE-печь (~2 т)
  • Солнечные зеркала (~1 т)
  • Электроника для МД (~2 т)

Этапы развёртывания:

Месяц Активность
1-2 Сборка MRE-печи, начало добычи LRM-реголита
3-4 Накопление материалов для мини МД
5-6 Строительство мини МД
7+ Эксплуатация — доставка графита на полюс

Фаза 2: Эксплуатация

После запуска мини МД: - Графит отправляется на полюс (4-6 т/день с активного комплекса) - Два комплекса посменно обеспечивают ~5 т/день непрерывно

Когда строить комплексы Карбон?

Условие Решение
Иридиевые аноды изнашиваются Строим Карбон для углеродных анодов
Нужна легированная сталь Добавляем углерод к Fe-6%Mn
Базовый завод работает Не нужно — продолжаем без углерода

Вывод: Комплексы Карбон — это опциональное расширение. Базовый завод полностью функционален без них.

Источники