3.1.2 Электролиз MRE

Обзор

Параметр Значение
Вход Силикаты (~95% от немагнитной фракции)
Выход O₂, Fe/Si (ферросилиций), Al/Mg-шлак
Производительность ~536 т/день
Энергопотребление ~10 МВт тепл. (печь) + ~108 МВт эл. (электролиз)

← Назад к обзору

Подача реголита в печь

Между делителем потока и солнечной печью — виброжелоб с дозатором:

  1. Реголит ссыпается в приёмный бункер над печью
  2. Вибропривод обеспечивает равномерную подачу
  3. Шибер (заслонка) регулирует скорость подачи
  4. Реголит падает в тигель печи через загрузочное отверстие

Подача идёт порциями: загрузили 500 кг → расплавили → слили в MRE-ячейку → загрузили следующую порцию.

Поток материала

flowchart TD
    subgraph ПЕЧЬ["СОЛНЕЧНАЯ ПЕЧЬ"]
        SUN["Солнечный луч"] --> CRUCIBLE["Тигель MgO"]
        CRUCIBLE --> MELT["Расплав 1500°C"]
    end

    subgraph ЯЧЕЙКА["MRE-ЯЧЕЙКА"]
        MELT --> CELL["Электролизёр"]
        CELL --> ANODE["Аноды Ir"]
        CELL --> CATHODE["Катод"]
        ANODE -->|"O₂ ↑"| CAP["Газовый колпак"]
        CATHODE -->|"Fe/Si ↓"| METAL["Металлы ρ=6-8"]
        CELL -->|"всплывает"| SLAG["Al/Mg шлак ρ=2.5"]
    end

    subgraph ВЫХОДЫ["РАЗДЕЛЕНИЕ ПРОДУКТОВ"]
        CAP -->|"труба"| COMP["Компрессор"] --> TANK[/"O₂ 250т/день"/]
        METAL -->|"МГД-клапан"| CAST["Литейный цех"] --> FeSi[/"Fe/Si 35т/день"/]
        SLAG -->|"скиммер"| DIST["Дистилляция"]
    end

    subgraph ДИСТ["ДИСТИЛЛЯЦИЯ ШЛАКА"]
        DIST --> Al[/"Al 42т"/] & Mg[/"Mg 48т"/] & Na[/"Na 18т"/] & K[/"K 3т"/]
    end

    style ПЕЧЬ fill:#fff3cd
    style ЯЧЕЙКА fill:#d4edda
    style ВЫХОДЫ fill:#cce5ff
    style ДИСТ fill:#f0e68c

Солнечная печь (Solar Furnace)

Принцип: Концентрация солнечного света зеркалами в одну точку. На Меркурии солнечный поток ~9,3 кВт/м² — в ~7 раз больше, чем на Земле.

Почему не электрическая печь?

Электричество на Меркурии драгоценно — его нужно для электролиза, моторов, электроники. Солнечный свет — бесплатный и избыточный. Зеркала фокусируют 10 МВт тепловой энергии напрямую в тигель, минуя преобразование свет→электричество→тепло.

Параметр Значение
Тип Параболический концентратор
Площадь зеркал ~1000 м²
Температура фокуса 1500–2000°C
Мощность ~10 МВт (тепловая)
КПД ~90% (нет конвекции в вакууме)

Конструкция и материалы

Массив плоских зеркал направляет свет на параболический отражатель. Отражатель фокусирует луч в тигель с реголитом.

Принцип безопасности: Зеркала отражают свет (Tраб <100°C), не поглощают. Вся тепловая энергия концентрируется в тигле MgO¹ (Tраб 1500–2000°C, Tпл = 2852°C — запас 852°C). Остальная конструкция остаётся холодной (<200°C).

¹ Магнезит (MgO) производится из местного магния реголита (дистилляция шлака, 8% содержание, ~48 т/день).

Преимущества вакуума: - Нет конвекции — тепло не уносится воздухом - Нет окисления — тигель не горит снаружи - Нет поглощения в атмосфере — весь свет доходит до цели

Примечание: Это наземные зеркала-концентраторы на поверхности Меркурия, не путать с орбитальным Роем Дайсона. Первый комплект зеркал (~1 т, Каптон) доставляется с Земли, затем производятся локально из алюминия. См. Производство.

Роль печи: Солнечная печь только плавит реголит. Электролиз и сбор кислорода происходят в отдельной закрытой MRE-ячейке, куда расплав переливается через МГД-канал.

Электролиз расплава (MRE — Molten Regolith Electrolysis)

Принцип: Пропускание тока через расплавленный реголит. На катоде выделяются металлы, на аноде — кислород.

Химия процесса

Реголит при 1500°C — это расплавленные оксиды: SiO₂, Al₂O₃, FeO, MgO, CaO. При электролизе:

  • Катод (−): Металлы восстанавливаются
    • Fe²⁺ + 2e⁻ → Fe (оседает на дно, плотность 7.8 г/см³)
    • Si⁴⁺ + 4e⁻ → Si (смешивается с Fe → ферросилиций)
    • Al³⁺ + 3e⁻ → Al (всплывает, плотность 2.7 г/см³)
    • Mg²⁺ + 2e⁻ → Mg (всплывает вместе с Al)
  • Анод (+): Кислород выделяется
    • O²⁻ → ½O₂ + 2e⁻
Параметр Значение
Температура 1500°C (поддерживается солнечной печью)
Количество ячеек 60
Напряжение 2–4 В
Ток на ячейку ~600 000 А (600 кА)
Мощность на ячейку ~1,8 МВт
Мощность (суммарная) ~108 МВт (электрическая)
Выход O₂ ~40% массы реголита (~250 т/день)

Обоснование мощности (закон Фарадея): 250 т O₂/день = 7,8 млн моль O₂/день. Каждый O₂ требует 4 электрона → 31,3 млн моль e⁻/день. Суммарный ток: 31,3M × 96 485 C / 86 400 с ≈ 35 МА. При среднем напряжении 3 В: 35 МА × 3 В = ~105 МВт. Фактически ~108 МВт с учётом тепловых потерь в электродах. Для сравнения: алюминиевый электролизёр Холла-Эру работает при 100–600 кА на ячейку — MRE-ячейка сопоставима по масштабу.

Конструкция MRE-ячейки

MRE-ячейка — закрытый керамический сосуд, отдельный от солнечной печи:

Компонент Описание
Корпус Стальной кожух с MgO-футеровкой
Крышка Керамическая, с отверстиями для анодов
Аноды Иридиевые стержни, погружены в расплав сверху
Катод Дно ячейки (проводящее)
Газовый колпак Над расплавом, собирает O₂
Выход O₂ Труба к компрессору

Принцип сбора кислорода

  1. Кислород выделяется на анодах (пузырьки O₂ всплывают через расплав)
  2. Газ собирается в колпаке над поверхностью расплава
  3. Труба отводит O₂ к криогенному компрессору
  4. Сжиженный O₂ хранится в изолированных баках (−183°C)

Важно: Солнечная печь открыта сверху для солнечного луча и только плавит реголит. Кислород выделяется в закрытой MRE-ячейке, куда расплав переливается через МГД-канал.

Разделение продуктов по плотности

Расплав в ячейке самопроизвольно расслаивается на слои разной плотности:

     ┌─────────────────────────┐
     │     Газовый колпак      │ ─→ O₂ (труба к компрессору)
     │  ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~   │
     │     Al/Mg (ρ=2.5)       │ ─→ Скиммер (черпак сверху)
     │  - - - - - - - - - - -  │
     │   Силикатный шлак       │    (остаётся, периодически удаляется)
     │  - - - - - - - - - - -  │
     │     Fe/Si (ρ=6.0)       │ ─→ МГД-клапан (магнитный затвор)
     └─────────────────────────┘
Выход Метод Частота
O₂ Непрерывный отвод трубой Постоянно
Al/Mg Скиммер снимает корку Каждые 30 мин
Fe/Si МГД-клапан открывается Каждые 2-4 часа

Порядок восстановления (по энергии Гиббса): Cr → Mn → Fe → Si → Ti → Al → Mg → Ca. Металлы с низкой энергией (Fe, Mn) восстанавливаются первыми и тонут. Металлы справа (Al, Mg) всплывают в шлак.

Примечание об анодах: Аноды расходуются — кислород постепенно окисляет материал. Иридиевые аноды служат ~6 месяцев. Это единственный компонент, который нужно регулярно завозить с Земли (масса ~10 кг/год на ячейку).

Разделение продуктов

Скиммер шлака

Механический съём корки Al/Mg с поверхности расплава.

Компонент Материал Масса Источник
Черпак SiC (карбид кремния, Tпл=2730°C) 8 кг Местный
Рычаг Сталь Fe-6%Mn 20 кг Местный
Привод NaK гидравлика 12 кг Местный
Накопитель Керамика Al₂O₃ 30 кг Местный
Итого 70 кг 100% местный

Локализация: Полностью местное производство. SiC синтезируется методом Ачесона из местных Si (MRE) и C (LRM-зоны). Замена черпака — раз в ~2 года при интенсивной эксплуатации.

МГД-клапан (донный слив Fe/Si)

На автоматизированном заводе без людей используется МГД-клапан — тот же принцип, что МГД-насос, только наоборот.

Параметр Описание
Принцип Магнитное поле удерживает проводящий расплав
Закрыто Поле создаёт противодавление — расплав не течёт
Открыто Поле отключается — расплав течёт под гравитацией
Регулирование Сила поля = скорость потока
Материалы Катушки Al, канал MgO-керамика — всё местное

Преимущества МГД-клапана:

  • Нет подвижных частей в контакте с расплавом
  • Нет износа — магнитное поле не изнашивается
  • Точный контроль потока (от капель до струи)
  • Мгновенное открытие/закрытие
  • Работает при 1500°C (катушки снаружи, охлаждаются кондуктивно)

Рафинирование железа

Очистка Fe/Si от примесей перед подачей в литейный цех.

Метод Описание
Вакуумная дегазация Пузырьки газа захватывают неметаллические включения
Вакуумная дегазация Удаление растворённых газов (вакуум и так есть)
Результат Чистый ферросилиций для литья

Извлечение марганца

Источник: MnO в силикатах (0.1% коры по MESSENGER).

Процесс: При MRE-электролизе марганец восстанавливается на катоде вместе с железом:

Параметр Значение
Реакция MnO + 2e⁻ → Mn (металлический)
Плотность Mn 7.4 г/см³ (≈ Fe 7.8 г/см³)
Поведение Тонет вместе с Fe/Si
Результат Автоматическое легирование железа

Выход: ~600 кг Mn/день из 600 т реголита (0.1%).

Содержание Mn в железе: ~6% (600 кг Mn в 10000 кг Fe) — выше, чем в обычной стали. Это низколегированная сталь с улучшенными механическими свойствами.

Извлечение кремния

Источник: Ферросилиций (Fe + Si) — продукт электролиза MRE. Кремний восстанавливается на катоде вместе с железом и оседает на дно ячейки.

Параметр Значение
Содержание Si в реголите ~20% (в виде SiO₂)
Выход Si ~25 т/день (из 600 т реголита)
Форма продукта Ферросилиций (~15% Si, ~85% Fe)

Очистка кремния для электроники

Для солнечных панелей и микросхем нужен чистый кремний. Два метода:

Метод Описание
Алюмотермия 3SiO₂ + 4Al → 3Si + 2Al₂O₃ (местные материалы)
Зонная плавка Очистка до 99.9999% (для электроники)

Стекловолокно: Производится на отдельной линии из силикатов напрямую (до MRE-электролиза).

Источники

  • NASA MRE Research — Molten Regolith Electrolysis studies
  • ESA In-Situ Resource Utilization — Исследования электролиза лунного реголита
  • Electrochemistry of Molten Oxides — Академические публикации

См. также