Переработка реголита

Полный цикл переработки сырья: от реголита до готовых материалов.

TipВалидация технологии MRE

Электролиз расплавленного реголита (MRE) — не теоретическая концепция, а технология на стадии TRL 6-7:

  • NASA KSC (2024): Тестирование MRE-ячеек в камере ASSIST под симулированными лунными условиями
  • Lunar Resources: Переработка 25 кг реголита за 36 часов с измерением выхода кислорода
  • Blue Origin (Blue Alchemist): Полный цикл MRE → очистка Fe/Si/Al → производство солнечных ячеек. CDR пройден (сентябрь 2025) — по стандартам NASA, CDR соответствует ≥TRL 6
  • Sierra Space (2024): Карботермальная экстракция O₂ в термовакуумной камере

Цитата NASA: «Both Carbothermal Reduction and MRE have demonstrated operation under simulated lunar conditions to TRL 5/6» (общая оценка категории; Blue Origin конкретно — ≥TRL 6)

Подробнее: Технологии и источники

Обзор процесса

Технологический цикл: оборудование завода

Физическая цепочка агрегатов с ID из базы данных:

flowchart TD
    %% ДОБЫЧА И ПОДГОТОВКА
    KROT[Крот] -->|сброс| BUN[Бункер]
    BUN -->|реголит| SEP[Магн. сепаратор]
    BUN -.->|крупные куски| GR[Виброгрохот]
    GR -.->|>5 см| DR[Дробилка]
    DR -.->|желоб| SEP

    %% СЕПАРАЦИЯ - разделение на 2 потока
    SEP -->|36 т| MAGN[Магн. фракция]
    SEP -->|564 т| NMAG[Немагн. фракция]

    %% РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ПОТОКА
    NMAG --> SPLIT[Делитель потока]

    %% ЛИНИИ ПЕРЕРАБОТКИ
    subgraph LINES[Линии переработки]
        direction TB

        subgraph TITANIUM[Линия титана]
            SF3[Возгонка 450°C]
            SF3 -->|желоб| TI_OX[Обжиг 900°C]
            TI_OX --> TI_OUT[Диоксид титана + сера]
        end

        subgraph GLASS_LINE[Линия стекла]
            SF1[Малая печь 1400°C]
            SF1 -->|расплав| FILT[W фильеры]
            FILT --> FIBER[Волокно 28 т]
        end

        subgraph MRE_LINE[Линия MRE]
            SF2[Солнечная печь 1500°C]
            SF2 -->|расплав| MRE[MRE-ячейка]
            MRE --> O2[Кислород 250 т]
            MRE --> FESI[Железо-кремний 35 т]
            MRE --> SLAG[Шлак 251 т]
        end
    end

    %% Связи от сепарации к печам
    MAGN -->|желоб| SF3
    SPLIT -->|28 т| SF1
    SPLIT -->|536 т| SF2

    %% ДИСТИЛЛЯЦИЯ
    SLAG -->|труба| EQU024[Инд. печь]
    EQU024 --> EQU031[Конденсатор K]
    EQU031 --> EQU032[Конденсатор Na]
    EQU032 --> EQU033[Конденсатор Mg]
    EQU033 --> AL_OUT[Алюминий 42 т]

    %% Стили
    style TITANIUM fill:#a8d4e8
    style GLASS_LINE fill:#b8e0d2
    style MRE_LINE fill:#e8a8d4
    style SPLIT fill:#ffe4b5

Выход материалов (600 т реголита/день)

Продукт т/день % Источник Применение
Кислород (O₂) 250 42% MRE Атмосфера куполов, окисление
Fe-Mn сталь ~11 2% MRE + титан Рамы, рельсы, инструменты
Ферросилиций → Si 35 → 25 6% MRE → зонная плавка Электроника, солнечные панели
Алюминий (Al) 42 7% Дистилляция Зеркала, обмотки моторов
Магний (Mg) 48 8% Дистилляция Al-Mg сплавы, MgO-керамика
NaK теплоноситель ~5 1% K + Na Охлаждение электроники
Натрий (Na) ~18 3% Дистилляция NaS батареи (анод)
Сера (S) 18 3% Линия титана NaS батареи (катод)
TiO₂ 3 0.5% Линия титана Электрохромика зеркал
Стекловолокно 28 5% Силикаты (SiO₂ + Al₂O₃ + CaO) Изоляция, композиты
Углерод (C) (~6) — Этап 2 (не в балансе) Сталь Гадфильда, аноды
Отходы/шлак ~143 24% Дистилляция 138 + титан 5 Засыпка, балласт

Примечания:

  • Fe-Mn сталь: Железо с Меркурия содержит ~6% Mn — это автоматически низколегированная сталь (MESSENGER)
  • Ферросилиций: Si выходит из MRE вместе с Fe. Очистка — зонная плавка (35 т → 25 т чистого Si)
  • NaK: Эвтектика 78% K + 22% Na, жидкая при −12°C — идеальный теплоноситель для космоса
  • Кислород: Не для дыхания (людей нет) — для атмосферы куполов (0.1 атм O₂) и химических процессов
  • Углерод: Этап 2 — требует отдельных заводов у LRM-залежей (не входит в баланс 600 т).
  • CaO (оксид кальция): ~10% реголита (~60 т/день) — не восстанавливается при MRE (Ca слишком реактивен). Частично используется: ~3 т/день на стекловолокно (флюс) и WAAM-флюсы. Остальное (~57 т/день) остаётся в финальном шлаке (засыпка, балласт).

Приёмка и дробление

Грязная зона — ВАКУУМ.

Критическое условие: Все процессы полностью независимы от атмосферы.

Подготовка реголита

Реголит Меркурия — продукт миллиардов лет метеоритной бомбардировки. Средний размер частиц 40-100 мкм, 95% материала уже мельче 1 мм. Реголит идёт напрямую на магнитную сепарацию.

Опционально: При глубоком бурении в скальную породу используются грохот и дробилка.

Виброжелоб (Транспорт)

Параметр Значение
Привод Электромагнит
Принцип Лоток мелко дрожит (50 Гц), грунт «течёт»
Плюс Нет подшипников и трущихся частей

Принцип работы электромагнитного вибратора

Электромагнит — это катушка с железным сердечником. При подаче тока создаётся магнитное поле, притягивающее якорь.

Цикл работы (переменный ток 50 Гц):

  1. Ток в катушке → магнит притягивает якорь → лоток смещается
  2. Ток = 0 → пружины возвращают лоток
  3. Ток меняет знак → снова притяжение (магнит работает на |I|)
  4. Результат: 100 колебаний/сек (частота удваивается)

Почему материал «течёт»: - При движении лотка вверх-вперёд частицы подбрасываются - При движении вниз-назад лоток уходит из-под частиц - Частицы приземляются чуть дальше → микро-прыжки суммируются в поток

Конструкция для Меркурия

Преимущества в вакууме: - Нет износа от трения (отсутствие атмосферы = нет окисления) - Нет подшипников — ничего не смазывать - Простое управление — регулировка напряжения меняет амплитуду

Земные аналоги: Eriez, Syntron electromagnetic feeders — стандарт в пищевой, фармацевтической и горной промышленности с 1950-х годов.

Плавка и разделение

Горячая зона — ВАКУУМ.

Химический реактор стоит на открытом грунте. Вакуум работает как идеальная термоизоляция.

Магнитная сепарация

Принцип работы

Разделение материалов по магнитным свойствам. Реголит Меркурия содержит два типа минералов:

Тип Доля Минералы Магнитные свойства
Магнитные 5-6% Ильменит (FeTiO₃), троилит (FeS) Парамагнетики — притягиваются к магниту
Немагнитные 94% Силикаты (Si, Al, Mg, Ca, O) Диамагнетики — слабо отталкиваются

В магнитном поле 0.5–1.5 Тл парамагнитные минералы (содержащие Fe) притягиваются к магниту, а силикаты — нет. Это позволяет разделить поток.

Конструкция барабанного сепаратора

flowchart TD
    subgraph ВХОД["ПОДАЧА"]
        R[/"Реголит<br/>25 т/час"/] --> VJ["Виброжелоб<br/>(электромагнитный)"]
    end

    subgraph СЕПАРАТОР["БАРАБАННЫЙ СЕПАРАТОР"]
        VJ --> DRUM["🔄 Барабан ⌀800×1200мм<br/>вращение 20 об/мин"]
        DRUM --> |"электромагниты<br/>внутри барабана"| MAG["Магнитная зона<br/>0.5-1.5 Тл"]
        MAG --> SCRAPER["Скребок<br/>(съём магн. фракции)"]
    end

    subgraph ВЫХОД["РАЗДЕЛЕНИЕ"]
        SCRAPER --> M[/"Магнитная фракция<br/>FeS + FeTiO₃<br/>1.5 т/час"/]
        DRUM --> |"падает вниз"| NM[/"Немагнитная фракция<br/>силикаты → MRE<br/>23.5 т/час"/]
    end

    style СЕПАРАТОР fill:#e8d4a8
    style M fill:#c0c0c0
    style NM fill:#f5deb3

Параметры

Параметр Значение
Тип Барабанный с электромагнитами
Диаметр барабана 800 мм
Длина барабана 1200 мм
Напряжённость поля 0.5–1.5 Тл
Скорость вращения 20 об/мин
Производительность 25 т/час (600 т/день)
Масса 500 кг
Мощность 20 кВт

Скребок на электромагнитах: Металлическая полоса движется влево-вправо на электромагнитных направляющих. Нет трения, нет подшипников — нечему изнашиваться.

Земные аналоги: Eriez DR Drum Separator, STEINERT MT — используются в горнодобыче для отделения магнетита и ильменита.

Линии переработки

После магнитной сепарации материал расходится по специализированным линиям.

Делитель потока

Немагнитная фракция (564 т/день) распределяется между линиями стекла и MRE простым механическим делителем:

  • 5% (28 т) → узкий выход → линия стекловолокна
  • 95% (536 т) → широкий выход → линия MRE

Соотношение 1:19 задаётся геометрией выходов. Никакой электроники — чистая механика.

Сводная таблица линий

№ Линия Вход т/день Выход
3.1.1 Стекловолокно Силикаты (5%) 28 Волокно SiO₂
3.1.2 Электролиз MRE Силикаты (95%) 536 O₂ 250т, Fe/Si 35т, шлак 251т
3.1.3 Дистилляция Шлак из MRE 251 Al 42т, Mg 48т, Na 20т, K 3т, шлак 138т
3.1.4 Линия титана Магн. фракция 36 TiO₂ 3т, S 18т, Fe 10т, отходы 5т
3.1.5 Углерод (опц.) LRM-реголит 200 Графит ~6т

*Дистилляция обрабатывает шлак из MRE, а не входной реголит — это последовательная, не параллельная линия.

Транзит через стену

Кровеносная система.

Как передать расплав (1500°C) через холодный кратер (−150°C) внутрь завода, не потеряв атмосферу?

Электромагнитный ввод с активной изоляцией

Труба с жидким металлом проходит сквозь шлюзовую панель купола.

Физика: Труба — «сэндвич» (Керамика + Индукторы + ЭВТИ).

Компонент Функция
МГД-насос Магнитное поле толкает металл. Внутри трубы нет подвижных деталей
Пробка Из самого металла — обеспечивает герметичность

U-образный гидрозатвор (Сифон)

Труба делает глубокий изгиб вниз.

Элемент Функция
Принцип В нижней части U-трубы всегда стоит «пробка» из тяжёлого жидкого железа, блокируя выход газа из купола
Аварийная система Керамическая заслонка (шибер) автоматически перерубает канал при падении уровня металла

Разливочный узел

Буферизация и дозирование — ВНУТРИ КУПОЛА.

Критическая проблема: электролиз работает непрерывно, а литьё — порционно. Нужен буфер.

Промковш (Тандиш)

Промежуточная ёмкость между МГД-вводом и кристаллизатором.

Параметр Значение
Ёмкость 2–3 тонны расплава
Материал Стальной кожух + огнеупорная футеровка (магнезит MgO)
Подогрев Индукционный (поддержание температуры 1550°C)
Функция Буферизация, усреднение состава, всплытие включений

Локализация: Магнезит (MgO) производится из местного магния реголита (8% содержание, ~48 т/день). Стальной кожух — из местного железа Fe-6%Mn.

Приложение: Грохот и дробилка

Опциональное оборудование для работы со скальной породой при глубоком бурении.

Виброгрохот

Робот «Крот» сваливает грунт на наклонную решётку.

Параметр Решение
Привод Дебалансные моторы (инерция)
Пыль Не висит облаком — падает камнем вниз (баллистика). Фильтры не нужны
Охлаждение Кондуктивное (через металл рамы)

Почему пыль не висит в вакууме?

На Земле мелкие частицы «висят» в воздухе из-за аэродинамического сопротивления — молекулы воздуха тормозят падение. В вакууме воздуха нет, поэтому:

  • Все частицы (от валунов до микронной пыли) падают с одинаковым ускорением
  • На Меркурии g = 3.7 м/с² — частица пролетает 1 метр за ~0.7 секунды
  • Траектория — чистая парабола (баллистика), как у брошенного камня
  • Пыль не образует облаков — она просто падает

Следствие: Фильтры и системы пылеподавления не нужны. Это радикально упрощает оборудование.

Аналогия: Эксперименты Apollo показали, что лунная пыль ведёт себя как песок — сыпется и оседает мгновенно.

Дебалансные моторы

Простейший способ создать вибрацию — закрепить эксцентричный груз на валу электродвигателя.

Компонент Функция
Электромотор Обычный асинхронный, ~3000 об/мин
Эксцентрик Несимметричный груз на валу
Центробежная сила F = m·ω²·r — создаёт вибрацию

Принцип: При вращении центр масс эксцентрика смещён от оси → возникает центробежная сила → корпус мотора «трясётся». Два мотора, вращающихся в противоположные стороны, создают направленную вибрацию.

Преимущества:

  • Нет изнашиваемых частей кроме подшипников
  • Работает в вакууме без модификаций
  • Амплитуда регулируется изменением массы эксцентрика

Земные аналоги: Вибраторы Martin Engineering, VIBCO — используются в горной промышленности десятилетиями.

Конструкция асинхронного электродвигателя

Асинхронный мотор — рабочая лошадка промышленности. На Меркурии адаптирован под местные материалы и вакуум:

  • Обмотки из алюминия — меди на Меркурии нет (MESSENGER), Al имеет 60% проводимости Cu → мотор на 20-30% тяжелее
  • Подшипники керамические Al₂O₃ (корунд) — работают без смазки в вакууме, 100% местное производство
  • Охлаждение кондуктивное — вентилятор не нужен, нет конвекции в вакууме

Производительность завода: При выпуске ~10 т железа и 42 т алюминия в день, завод может производить сотни моторов/день — значительный избыток.

Кондуктивное охлаждение

В вакууме нет воздуха → нет конвекции. Тепло уходит только двумя путями:

  1. Излучение — радиаторы «светят» в космос
  2. Теплопроводность — тепло течёт через контакт твёрдых тел

Для грохота используется второй способ:

Элемент Температура
Мотор (работа) +80…+150°C
Рама (массивная) Промежуточная
Грунт дна кратера −150°C (вечная тень)

Тепловой поток: Мотор → болты → рама → опоры → грунт. Холодный грунт работает как бесконечный теплоотвод.

Альтернатива: Радиаторные панели, излучающие в сторону космоса (3 K). Но для механического оборудования кондукция проще.

Щековая дробилка

Параметр Значение
Принцип Механическое сжатие плит
Материал плит Низколегированная сталь (Fe-6%Mn)
Плюс вакуума Нет коррозии — ресурс выше
Ресурс плит ~2-3 месяца, затем замена

Марганец в железе Меркурия

Параметр Значение
Содержание Mn в коре ~0.1% (по данным MESSENGER)
Выход Mn ~600 кг/день (из 600 т реголита)
Содержание Mn в железе ~6% (600 кг Mn / 10000 кг Fe)

Вывод: Железо с Меркурия уже содержит ~6% марганца — это низколегированная сталь с улучшенными механическими свойствами. Марганец восстанавливается вместе с железом при MRE-электролизе (плотность Mn ≈ Fe), не требует отдельного процесса.

Расход плит дробилки:

Параметр Значение
Масса комплекта плит ~400 кг
Замена Каждые 2-3 месяца
Расход ~1.6 т/год
Доля от производства Fe 0.04% (при 3650 т Fe/год)

Вывод: Плиты из Fe-6%Mn изнашиваются быстрее, чем сталь Гадфильда, но расход настолько мал (0.04% от производства железа), что усложнение металлургии не оправдано.

Оборудование (грохот и дробилка)

См. также