Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕДМЕТОВ ДЛЯ ГРАЖДАНСКИХ И/ИЛИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НА ЛУНЕ, МАРСЕ И/ИЛИ АСТЕРОИДЕ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу изготовления предметов для гражданских и/или промышленных объектов на Луне, Марсе и/или астероиде, а также набор материалов и устройств для осуществления этого способа.

Уровень техники

Хорошо известно, что космическое агентство НАСА имеет заинтересованность предпринять в последующие 40 лет пилотируемые полеты на астероиды, Луну и Марс. В частности, НАСА недавно объявило о полетах на Луну к 2020 и на Марс после 2030 года.

В частности, в структуре действующих программ исследований космического пространства хорошо известны аббревиатуры ISRU (In Situ Resource Utilization) - использование найденных или произведенных на месте ресурсов и ISFR (In Situ Fabrication and Repair) - изготовление и ремонт на месте. Первая аббревиатура относится к использованию ресурсов, уже доступных на Луне, Марсе и/или астероиде, в то время как вторая адресуется к разработке технологий промышленного технического обслуживания и текущего ремонта, которые позволяют обеспечивать более длительные пилотируемые полеты и уменьшение затрат.

Для этого были предложены способы изготовления предметов для гражданских объектов блочного типа на Луне, связанные с использованием лунных реголитов и алюминиевых порошков (Faierson E.J., «Демонстрация концепции изготовления лунных предметов с использованием имитапта лунного реголита и геотермической реакции», Acta Astronautica, 67 (1-2), 2010, 38-45). Смесь, содержащая около 67% имитанта реголита JSC-1А или JSC-1AF и 33% алюминия, имеющая размер частиц меньше 325 меш, размещается внутри контейнера из диоксида кремния желаемой формы. Ток в диапазоне от 18 до 24 А, протекающий через нить накала из Ni-Cr сплава, вставленную в смесь, позволяет получить через 7-15 минут конечный продукт. Из вышеуказанного документа можно увидеть, что изготовление предметов для получения гражданских объектов блочного типа на Луне включает в себя длительное время реакции и большое количество алюминиевого порошка. Следует также заметить, что предложенный способ изготовления предметов для гражданских объектов относится к гражданским объектам блочного типа и ограничивается исключительно полетами на Луну.

Поэтому существует потребность в разработке способов изготовления предметов не только для гражданских объектов, но также и промышленных объектов, без описанных выше недостатков.

Раскрытие изобретения

Упомянутая выше задача была достигнута с помощью набора материалов и устройств для изготовления предметов для гражданских и/или промышленных объектов на Луне, Марсе и/или астероиде, содержащего:

a) по меньшей мере, одну фотоэлектрическую панель, по меньшей мере, один электролизер, по меньшей мере, один трансформатор напряжения и, по меньшей мере, один топливный элемент на основе цикла водород/кислород;

b) по меньшей мере, один экскаватор;

c) по меньшей мере, один сепаратор:

i - для ионной бомбардировки, содержит, по меньшей мере, ионизирующий электрод, состоящий из источника Ро²¹⁰, и по меньшей мере, статический электрод; или

ii - для индуцированного поля, содержит, по меньшей мере, ротор, состоящий из чередующихся ферромагнитных дисков и немагнитного материала, а также по меньшей мере, один разделитель для разделения частиц;

d) по меньшей мере, смеситель; и

e) по меньшей мере, реакционную камеру, оборудованную держателем для образца и, по меньшей мере двумя электродами, алюминиевый порошок, по меньшей мере, пресс-форму для удерживания реакционной смеси и, по меньшей мере, электрическое сопротивление в качестве инициирующего средства.

В другом аспекте настоящее изобретение относится к способу изготовления предметов для гражданских и/или промышленных объектов на Луне, Марсе и/или астероиде, причем этот способ содержит следующие этапы:

1) обеспечивают набор материалов и устройств, как указано выше, на Луне, Марсе и/или астероиде;

2) вырабатывают электричество с помощью фотоэлектрической панели;

3) извлекают реголит из почвы Луны, Марса и/или астероида с помощью экскаватора;

4) выполняют электростатическое обогащение реголита Луны или астероида ильменитом или магнитное обогащение реголита Марса оксидами железа;

5) смешивают обогащенные минералы с алюминиевым порошком;

6) индуцируют реакцию самораспространяющегося горения в полученной смеси термическим инициированием с использованием электрического сопротивления и получают в результате указанные предметы; и

7) собирают полученные предметы для строительства гражданских и/или промышленных объектов.

Как будет очевидно из последующего подробного описания, набор материалов и устройств так же, как и способ, в котором они применяются, позволяет получать предметы, подходящие для гражданских и/или промышленных объектов на Луне, Марсе и/или астероиде, за счет обеспечивающего преимущества использования найденных или произведенных на месте ресурсов, и, таким образом, облегчение как в экономическом плане, так и функционально, организации связанных с ними полетов.

Краткое описание чертежей

Характеристики и преимущества настоящего изобретения будут очевидными из последующего подробного описания, при этом рабочие примеры приведены для иллюстративных целей и не являются ограничивающими, а на приложенных фигурах:

фиг.1 - схема способа, в соответствии с изобретением;

фиг.2 - рентгеновский дифракционный спектр материалов в примере 1;

фиг.3 - рентгеновский дифракционный спектр материалов в примере 2;

фиг.4 - рентгеновский дифракционный спектр материалов в примере 3.

Подробное описание изобретения

Предметом настоящего изобретения является набор материалов и устройств для изготовления предметов для гражданских и/или промышленных объектов на Луне, Марсе и/или астероиде, содержащий:

a) по меньшей мере, фотоэлектрическую панель, по меньшей мере, электролизер, по меньшей мере, трансформатор напряжения и, по меньшей мере, топливный элемент, на основе цикла водород/кислород;

b) по меньшей мере, экскаватор;

c) по меньшей мере, сепаратор:

i - для ионной бомбардировки, содержит, по меньшей мере, ионизирующий электрод, состоящий из источника полония Ро²¹⁰ и, по меньшей мере, статический электрод; или

ii - для индуцированного поля, содержит, по меньшей мере, ротор, состоящий из чередующихся ферромагнитных дисков и немагнитного материала, а также по меньшей мере, один разделитель для разделения частиц;

d) no меньшей мере, смеситель; и

e) по меньшей мере, реакционную камеру, оборудованную держателем для образца и, по меньшей мере, двумя электродами, алюминиевый порошок, по меньшей мере, пресс-форму для удерживания реакционной смеси и, по меньшей мере, электрическое сопротивление в качестве инициирующего средства.

Как будет очевидно из описания настоящего изобретения, а также из приведенных примеров, материалы и устройства набора позволяют устанавливать все необходимое для изготовления предметов для гражданских и/или промышленных средств на Луне, Марсе и/или астероиде, за счет обеспечивающего преимущества использования найденных или произведенных на месте ресурсов, таким образом уменьшая как затраты, так и объем основной массы материалов, которые обычно являются значительными во время космических полетов.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения набор по настоящему изобретению содержит:

a) для производства и хранения энергии:

- по меньшей мере, фотоэлектрическую панель, снабженную, по меньшей мере, одним устройством переключения постоянного тока (DCSU, Direct Current Switching Unit);

- по меньшей мере, топливный элемент с регенеративной технологией на основе цикла водород/кислород и использование протонообменных мембран;

- по меньшей мере, электролизер;

- по меньшей мере, преобразователь постоянного тока (DDCU);

- по меньшей мере, дистанционное управление мощностью (RPC);

- по меньшей мере, выходное устройство (OPs, Output Panels);

b) для извлечения реголита:

- по меньшей мере, экскаватор, оборудованный:

- по меньшей мере, источником питания (имеющим электрическую мощность, по меньшей мере, 100 кВт);

- по меньшей мере, модуль для зарядки аккумуляторной батареи, присоединенный к электрической сети и к фотоэлектрической панели, установленной на самом экскаваторе;

- вспомогательное устройство с воспринимающими элементами (акселерометр, амперметр);

- вспомогательное устройство автоматизации и управления;

- по меньшей мере, модуль для передачи/приема данных для дистанционного управления;

c1) для обогащения ильменитом реголита Луны или астероида:

- по меньшей мере, сепаратор ионной бомбардировки;

- по меньшей мере, вращающийся барабан;

- по меньшей мере, ионизирующий электрод, состоящий из источника полония Ро²¹⁰ и, по меньшей мере, статический электрод;

- по меньшей мере, конвейерную ленту и загрузочный бункер для подачи реголита;

- вспомогательное устройство автоматизации и управления;

или

с2) для обогащения реголита Марса оксидами железа:

- по меньшей мере, один индуцирующий поле сепаратор;

- по меньшей мере, один ротор, состоящий из чередующихся ферромагнитных дисков и немагнитного материала;

- по меньшей мере, один разделитель для разделения частиц;

- по меньшей мере, одну конвейерную ленту и загрузочный бункер для подачи реголита;

- вспомогательное оборудование для автоматизации и управления;

d) для смешивания материалов, полученных на этапах, на которых использовались описанные выше устройства:

- по меньшей мере, один смеситель, имеющий винт с горизонтальной осью;

- по меньшей мере, одну конвейерную ленту и загрузочный бункер для подачи реголита;

- вспомогательное устройство для автоматизации и управления;

- алюминиевый порошок;

e) для сжигания смеси:

- по меньшей мере, одну реакционную камеру;

- по меньшей мере, одну пресс-форму для удерживания реакционной смеси;

- вспомогательное устройство для инициирования твердотельной реакции горения (трансформатор, электроды, разъемы, сопротивления);

- по меньшей мере, конвейерную ленту и загрузочный бункер для подачи реголита;

- вспомогательное устройство для автоматизации и управления.

Предпочтительно, указанная панель является фотоэлектрической системой, имеющей поверхность от 3000 до 6000 м², более предпочтительно, около 4000 м², и расположенной на четырех взаимно перпендикулярных поверхностях, каждая поверхность составляет размер около 5 м × 100 м. Фотоэлектрические панели выполнены из тонких полимерных мембран, покрытых пленкой элементов для выработки электричества из солнечной энергии. С точки зрения электричества, фотоэлектрическая система, предпочтительно, разделяется на восемь независимых секций, способных обеспечить от 300 до 800 В, более предпочтительно, около 600 В. Мощность, производимая из солнечной энергии, составляет более чем 120 кВт.

Что касается компонента b), то подходящим экскаватором может быть один из описанных авторами Caruso JJ и др. в работе "Cratos: A Simple Low Power Excavation and Hauling System for Lunar Oxygen Production and General Excavation Tasks" - «Cratos: Простая разработка грунта с малой мощностью и транспортировочная система для производства кислорода с целью заправки на лунной поверхности и окололунной орбите, а также общие задачи по разработке грунта», 2008 г. (http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080005206_200800.pdf), которая показывает, как можно выполнить подготовительные и вспомогательные операции, такие как карьерная разработка и обработка реголита с помощью транспортного средства, получающего питание от фотоэлектрических перезаряжаемых батарей (согласно компоненту а) в наборе) или независимо, с помощью маленьких фотоэлектрических систем, размещенных на том же самом транспортном средстве. Как будет очевидно из последующего описания настоящего изобретения, электрическая энергия, генерируемая с помощью, по меньшей мере, одной фотоэлектрической панели, первоначально используется для обеспечения энергией экскаватора для извлечения реголита из почвы Луны, Марса и/или астероида. Произведенная энергия затем используется для обогащения реголита на Луне или астероиде ильменитом, или марсианского реголита оксидами железа. Обогащенный реголит переносят в смеситель для перемешивания с алюминиевым порошком. Полученная в результате смесь доставляется в реакционную камеру, из которой получают желаемые предметы.

В другом аспекте настоящее изобретение имеет отношение к способу изготовления предметов для гражданских и/или промышленных объектов на Луне, Марсе и/или астероиде, содержащему следующие этапы:

1) обеспечение набора материалов и устройства, как указывалось выше, на Луне, Марсе и/или астероиде;

2) выработка электричества с помощью фотоэлектрической, панели;

3) извлечение реголита из грунта Луны, Марса и/или астероида посредством средств для разработки грунта;

4) электростатическое обогащение реголита Луны или астероида ильменитом, или магнитное обогащение реголита Марса оксидами железа;

5) смешивание обогащенных минералов с алюминиевым порошком;

6) индуцирование реакции самораспространяющегося горения в полученной смеси с помощью термического инициирования, используя электрическое сопротивление, в результате получают указанные предметы; и

7) сборка предметов для строительства гражданских и/или промышленных объектов.

Этап 1) способа в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает набор материалов и устройств, как описано выше, на Луне, Марсе и/или астероиде. Этот этап выполняется с помощью космического полета с Земли, для того чтобы транспортировать все необходимые материалы и устройства для выполнения последующих этапов способа, а именно - изготовления предметов для гражданских и/или промышленных объектов на Луне, Марсе и/или астероиде.

Следует понимать, что все аспекты, обозначенные как предпочтительные и создающие преимущества для набора, соответственно рассматриваются аналогичным образом, как предпочтительные, также и для способа по настоящему изобретению.

На этапе 2) способа в соответствии с настоящим изобретением вырабатывают электричество с помощью, по меньшей мере, одной фотоэлектрической панели набора, как показано на фиг.1. В частности, в отношении компонента а) набора, указанная, по меньшей мере, одна фотоэлектрическая панель обеспечивает энергией, по меньшей мере, один электролизер, который, благодаря электрическому току, способен выполнить электролиз воды, чтобы произвести водород, который сохраняется и, в свою очередь, используется для питания, по меньшей мере, одного топливного элемента. Таким образом, достигается преимущество, состоящее в использовании электрического тока, обеспечиваемого, по меньшей мере, одной фотоэлектрической панелью, за счет использования водорода в любое время, даже во время периода темноты. Полученная энергия затем используется для поддержки последующих этапов способа, если она потребуется.

Этап 3) способа предусматривает извлечение реголита из грунта Луны, Марса и/или астероида за счет разработки грунта, в частности, за счет использования экскаватора компонента b) набора.

Этап 4) способа предусматривает электростатическое обогащение грунта Луны или астероида ильменитом или магнитное обогащение марсианской почвы оксидами железа. Ильменит является минералом титаножелезного оксида (FeTiO₃) со структурой, аналогичной гематиту, которая является изоморфной.

Что касается обогащения лунного или астероидного реголита ильменитом, то для разделения минералов используются электростатические технологии, которые включают в себя приложение подходящей разницы потенциалов к электродам для получения электрического поля около 5 кВ/см, которое пригодно для разделения минералов. Экспериментальным путем было определено, что этим способом возможно эффективно выделить ильменит из реголита, с удовлетворительной выработкой, зависящей от размера частиц.

Указанное обогащение ильменитом грунта Луны или астероида является применимым за счет использования компонента с1) набора, описанного выше, в частности за счет использования сепаратора для ионной бомбардировки, состоящего из источника полония Ро²¹⁰, по меньшей мере, одного ионизирующего электрода и, по меньшей мере, одного статического электрода.

Что касается обогащения оксидами железа марсианского реголита, то здесь минералы разделяются с использованием магнитных технологий, которые основываются на индуцировании электрического заряда на частицах за счет приложения соответствующего магнитного поля. Заряженные частицы разделяются на основе различной способности аккумулировать или «сбрасывать» приобретенный заряд.

Указанное обогащение оксидами железа марсианского грунта применяется с использованием компонента с2) описанного выше набора, в частности с использованием индуцирующего поля сепаратора, содержащего, по меньшей мере, один ротор, состоящий из чередующихся ферромагнитных дисков и немагнитного материала, а также, по меньшей мере, один разделитель для разделения частиц.

Этап 5) способа предусматривает смешивание реголита, обогащенного ильменитом или оксидом железа, с алюминиевым порошком.

Предпочтительно, такое смешивание выполняется в пределах следующих весовых соотношений:

- 75-78% лунного или астероидного реголита, обогащенного ильменитом с долей 40-66% вес. и 22-25% алюминиевого порошка, или

- 80-85% марсианского реголита, обогащенного оксидами железа с долей 45-65% вес. и 15-20% алюминиевого порошка.

Этап 6) предусматривает инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного горения смеси, полученной в результате выполнения этапа 5) с помощью инициирования, использующего электрическое сопротивление. Во время поджига происходит инициирование реакции самораспространяющегося в виде волны горения, которая распространяется через взаимодействующие порошки без приложения дополнительной энергии. В действительности эти аспекты чрезвычайно важны с практической точки зрения, поскольку способ позволяет получить твердые окончательные продукты, характеризующиеся чрезвычайно высокой чистотой и хорошими механическими свойствами, с помощью очень простой реакции, для которой необходимо совершенно небольшое приложение извне электрической энергии.

Смесь порошков, полученная в результате этапа 5), в некоторых случаях уплотненная, помещается в реакционную камеру под источник электрического поджига, предпочтительно, состоящий из вольфрамовой катушки, которая размещается на расстоянии около 2 мм от смеси. Температура поджига достигается за счет электрического тока, генерируемого за счет разницы потенциалов, ток протекает через электрическое сопротивление в течение нескольких секунд. Во время процесса горения температура реакционной смеси обычно около 2000°C, скорость волны горения составляет приблизительно 0,5 см/с. Таким образом, можно получить предметы желаемого размера и формы с помощью соответствующих пресс-форм.

Этап 7) включает в себя сборку предметов, полученных на этапе 6), чтобы построить гражданские и/или промышленные объекты на Луне, Марсе и/или астероиде. Указанная сборка может быть выполнена с помощью стыковки предметов подходящей формы.

Примеры осуществления настоящего изобретения приведены ниже для иллюстративных, но не ограничивающих целей.

Примеры

Пример 1. Изготовление предмета в соответствии с настоящим изобретением

1,761 г ильменита от Alfa Aesar (чистота 99,8%, размер частиц - 100 меш), 1,697 г лунного реголита JSC-1A (просеянного на 45 микрон, Orbitec Technologies), и 1,092 г алюминиевого порошка (чистота 99,5%, размер частиц - 325 меш, Alfa Aesar) были надлежащим образом перемешаны. Порошки были соответствующим образом уплотнены с помощью ручного гидравлического пресса, работающего при давлении около 80 бар (бар =10⁵ Па). Таким способом был подготовлен цилиндрический образец диаметром 11 мм и высотой 2,3 см. Образец был введен в реакционную камеру для осуществления реакции самораспространяющегося высокотемпературного горения и расположен под источником электрического поджига, выполненного из вольфрамовой катушки, которая размещается на 2 мм выше поверхности образца. В реакционной камере созданы условия вакуума, для достижения давления ниже 2,6 миллибар. Затем образец поджигается за счет термического воздействия от вольфрамовой катушки, через которую проходит электрический ток 72А, генерируемый за счет разности потенциалов 12 В, приложенной к электрическому сопротивлению, максимальное время протекания тока 3 с. Фронт волны горения способен распространяться со скоростью около 0,5 см/с, при этом температура горения составляет около 2000°C. Охлаждение окончательного продукта выполнялось внутри реакционной камеры до комнатной температуры.

Определение характеристик окончательного продукта было выполнено с помощью рентгеновского дифрактометра (XRD) и сканирующего электронного микроскопа (SEM) с эпергорассеивающей рентгеновской спектроскопией (EDS). Из этих анализов окончательного продукта видно, что он составлен, главным образом, из оксида алюминия (Al₂O₃), шпинеля (MgAl₂O₄), и хибонита (CaAl₁₂O₁₉), с присутствием железа (Fe) и титана (Ti).

Фиг.2 - рентгеновский дифракционный спектр веществ и продуктов, полученных в этом примере. Окончательный продукт имеет вид твердого вещества темно-серого цвета с низкой пористостью.

Пример 2. Изготовление предмета в соответствии с настоящим изобретением

1,363 г Fe₂O₃ (чистота +99%, размер частиц - 5 микрон, Sigma Aldrich), 1,835 г марсианского реголита JSC-1A (просеянного на 45 микрон, Orbitec Technologies), однократно нагретого в течение 2 часов в печи при 600°C, и 0,602 г алюминиевого порошка (чистота 99,5%, размер частиц - 325 меш, Alfa Aesar) были надлежащим образом перемешаны. Порошки были соответствующим образом уплотнены с помощью ручного гидравлического пресса, работающего при давлении около 80 бар (бар =10⁵ Па). Таким способом был подготовлен цилиндрический образец диаметром 11 мм и высотой 2,3 см. Образец был введен в реакционную камеру для осуществления реакции самораспространяющегося высокотемпературного горения и расположен под источником электрического поджига, выполненного из вольфрамовой катушки, которая размещается на 2 мм выше поверхности образца. В реакционной камере были созданы условия вакуума, для достижения давления ниже 7 миллибар. Затем образец поджигается за счет термического воздействия от вольфрамовой катушки, через которую проходит электрический ток 72 А, генерируемый за счет разности потенциалов 12 В, приложенной к электрическому сопротивлению, максимальное время протекания тока - 3 с. Фронт волны горения способен распространяться со скоростью около 0,5 см/с, при этом температура горения составляет около 2000°C. Охлаждение окончательного продукта выполнялось внутри реакционной камеры до комнатной температуры.

Определение характеристик окончательного продукта было выполнено с помощью рентгеновского дифрактометра (XRD) и сканирующего электронного микроскопа (SEM) с энергорассеивающей рентгеновской спектроскопией (EDS). Из этих анализов окончательного продукта видно, что он составлен, главным образом, из оксида алюминия (Al₂O₃), эрцинита (FeAl₂O₄) и железа (Fe).

Фиг.3 - рентгеновский дифракционный спектр веществ и продуктов, полученных в этом примере. Окончательный продукт имеет вид твердого вещества темно-серого цвета с низкой пористостью.

Пример 3. Изготовление предмета в соответствии с настоящим изобретением

1,474 г Fe₂O₃ (чистота +99%, размер частиц - 5 микрон, Sigma Aldrich), 1,718 г марсианского реголита MMS (Mojave Martian Regolith) (Jet Propulsion Laboratories), однократно нагретого в течение 2 часов в печи при 700°C, и 0,604 г алюминиевого порошка (чистота 99,5%, размер частиц - 325 меш, Alfa Aesar) были надлежащим образом перемешаны. Порошки были соответствующим образом уплотнены с помощью ручного гидравлического пресса, работающего при давлении около 80 бар (бар =10⁵ Па). Таким способом был подготовлен цилиндрический образец диаметром 11 мм и высотой 2,3 см. Образец был введен в реакционную камеру для осуществления реакции самораспространяющегося высокотемпературного горения и расположен под источником электрического зажигания, выполненного из вольфрамовой катушки, которая размещается на 2 мм выше поверхности образца. В реакционной камере были созданы условия вакуума, для достижения давления ниже 7 миллибар. Затем образец поджигается за счет термического воздействия от вольфрамовой катушки, через которую протекает электрический ток 72 А, генерируемый за счет разности потенциалов 12 В, приложенной к электрическому сопротивлению, максимальное время протекания тока - 3 с. Фронт волны горения была способен распространяться со скоростью около 0,5 см/с, при этом температура горения составляет около 2000°C. Охлаждение окончательного продукта выполнялось внутри реакционной камеры до комнатной температуры.

Определение характеристик окончательного продукта было выполнено с использованием рентгеновского дифрактометра (XRD) и сканирующего электронного микроскопа (SEM) с энергорассеивающей рентгеновской спектроскопией (EDS). Из этих анализов окончательного продукта видно, что он состоит, главным образом, из оксида алюминия (Al₂O₃) и железа (Fe).

Фиг.4 - рентгеновский дифракционный спектр реагирующих веществ и продуктов, полученных в этом примере. Окончательный продукт имеет вид твердого вещества темно-серого цвета с низкой пористостью.

Признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из подробного описания изобретения и из приведенных примеров. В частности, такой набор позволяет применять способ по изобретению на Луне, Марсе или астероиде при обеспечении всех материалов и устройств, которые будут использованы, таким образом обеспечиваются преимущества в значительном уменьшении как стоимости, так и общей полезной нагрузки материалов, а также времени производства гражданских и/или промышленных объектов, все эти параметры обычно являются большими при космических полетах. И действительно, поскольку изобретение позволяет эксплуатировать ресурсы, доступные на месте, для производства гражданских и/или промышленных объектов, космический полет упрощается и облегчается как с экономической точки зрения, так и с функциональной.