Початок орбітальної паливної індустрії і трансформація логістики

Жваве обговорення проблем створення паливних складів на Низькій Навколоземній Орбіті (ННО) дозволило сформулювати думку, яка давно вже визрівала.

Перехід від спорадично-одноразової космонавтики до комерційного освоєння космосу неминуче ініціює зміну логістичних практик. Яка, в свою чергу, змінить буквально все в звичній для нас картині космічних польотів.

Як виглядала до недавнього часу майже будь-яка космічна місія? Для досягнення мети місії створювали Корисне Навантаження, яке чіпляли на вершечок багатоступеневої ракети і запускали. Головною логістичною рисою таких місій є необхідність одразу взяти із собою в дорогу ВСЕ пальне і ВСІ інші припаси, на увесь рейс. Тому космічну експансію людства необмежено гнобила Тиранія рівняння Ціолковського. Саме через неї Космічні Кораблі такі маленькі, а в міжпланетних автоматичних місіях на обліку буквально кожен грам на борту.

Та як ви напевно знаєте, обидва сучасні мегапроекти — і повернення на Місяць, і завоювання Марсу— вже базуються на ідеології фрагментації польотів і використанні проміжних дозаправок транспортних засобів. А це неможливо без створення космічних складів пального — своєрідних «схронів» в космосі, які дозволятимуть космічним кораблям дозаправлятися для продовження місії.

Окрім ідеї перетворення другого ступеню ракети SLS на склад пального, ми тут вже неодноразово обговорювали цю і близькі тематики. Нагадаю лише свої публікації на цю тему

• Гексагон — це як Пентагон, але ні
• Super Heavy як личинка орбітального Super Store

В чому проблема?

Новітні ракети літають на зріджених газах, що охолоджені до дуже низьких температур з метою раціонального використання об’ємів паливних баків. Це прекрасне рішення для традиційних місій, в яких все паливо ракети-носія випалюється за кілька хвилин, а спорожнілі діжки (ступені) відкидаються. Але, якщо ми спробуємо організувати накопичення і зберігання кріогенних рідин на орбіті, причому впродовж тривалого часу, нас очікують проблеми.

Зберігання зріджених газів потребує постійного охолодження. Не забуваймо, що Сонце добре гріє: за даними позаатмосферних вимірювань сонячна стала на орбіті Землі становить 1,367 кВт/м². І цей надлишок тепла конче треба кудись відводити, або постійно стравлювати надлишок газів, що утворюються при нагріванні кріогенних компонентів палива. Я не підраховував, якими мають бути розміри радіаторних полів охолодження і яких масштабів має бути холодильна установка орбітального складу, але впевнений, що це мають бути доволі громіздкі конструкції. Дещо виправити ситуацію може додаткова теплоізоляція складських цистерн та екранування комплексу від сонячних променів. Але є ще один неприємний момент — гази мають хуліганську вдачу, вони намагаються втекти в найменші шпаринки. А водень, взагалі тікає через непошкоджену оболонку цистерни — дифундує прямо крізь метал. При цьому металічні стінки цистерн стають крихкими і втрачають міцність через Водневу крихкість.

Як можна зарадити цій халепі?

Одразу зазначу, що далі йтиметься про киснево-водневі цикли. Метан, керосин та інші паливні компоненти я тут детально не розглядатиму. Перш за все тому, що паливним базисом експансії людства Системою логічно стане вода, як третя за поширеністю речовина у космосі. А по-друге, через найпотужнішу хімічну реакцію згоряння водню в кисні.

У мене з’явились питання, а чи обов’язково орбітальні склади пального заливати кріогенними воднем і киснем, що були отримані на поверхні Землі і потім підняті ракетами наверх? А що, як на орбіту піднімати звичайну дистильовану воду і зберігати її в цистернах складу в рідкому вигляді, аж допоки не знадобляться кисень і водень для дозаправлення конкретного космічного апарату? Чи можливо це взагалі, за сучасного розвитку техніки і технології? Чи буде подібна схема економічно виправданою, або і взагалі — приносити комерційний прибуток?

Мабуть ви погодитеся з тим, що технічно така схема може бути реалізована хоч зараз, і що електроліз води — тривіальна забавка на рівні лабораторок шкільної фізики. Джерело енергії для розщеплення води на складові теж не викликає сумнівів — це Сонце.

Але сходу реалізувати цю просту задумку буде важко. Для процесу електролізу води потрібна електрика. Сучасні сонячні батареї далекі від досконалості. Кращі лабораторні зразки в спец-умовах лише підбираються до 40% ефективності перетворення світла на електрику. А електроліз сам по собі процес доволі енерговитратний і доволі повільний.

В згаданому обговоренні пан Dmitriy Zhukov навіть навів ескізні розрахунки для схеми електролізу води на орбіті з яких випливають не надто райдужні перспективи для такого процесу. Та на щастя, тема розщеплення води, це дуже давній і вже доволі добре опрацьований науковцями та інженерами «святий Грааль». Лише у Вікіпедії згадано з десяток сучасних методів виробництва водню, з яких більшість так чи інакше розщеплюють воду на складові. А одне лиш «Термохімічне виробництво» знає понад 350 термохімічних циклів, які можуть використовуватись для розкладання води. Близько десятка з них (наприклад, цикл оксиду заліза, цикл церій (IV) — церій (III) оксид, цикл цинк — цинк-оксид, сульфур-йодний цикл, мідно-хлорний і гібридний сульфурний цикл) зараз досліджуються і знаходяться на фазі випробування з метою одержання водню і кисню з води за допомогою теплової енергії та без використання електрики.

Існуючі прототипи

Але мене, як технаря, більше цікавлять не лабораторні успіхи, а реалізовані індустріальні проекти, хай хоч і в стадії прототипів. І саме тому мою увагу в переліку технологій привернула інформація щодо процесів з концентрацією теплової сонячної енергії. В них, для розкладання води на кисень і водень необхідні дуже високі температури. Щоб процес протікав за нижчих температур, необхідний каталізатор. Нагрівання води може відбуватись за рахунок концентрації сонячної енергії. І саме такий процес був реалізований у вигляді справжніх, хоч і поки експериментальних, заводів фірми Hydrosol. Наприклад, Hydrosol-2 — це 100 кіловатний експериментальний завод на Plataforma Solar de Almería в Іспанії, який нагріває воду до необхідних 800—1200 °С за допомогою сонячного світла. Hydrosol II введений в експлуатацію 2008 року.

«Розробка цього 100 кіловатного експериментального заводу базується на модульній концепції. Отже, цілком можливо, що діапазон дії цієї технології буде розширений до мегават шляхом збільшення кількості реакторних блоків і з’єднання заводу з геліостатними полями (поля дзеркал, що автоматично орієнтуються на сонце) відповідного розміру».

Я не знайшов вичерпних даних про вартість отриманого на тому заводі водню і продуктивність підприємства, проте сам факт виходу розробки на індустріальні масштаби і заявлена модульна масштабованість свідчать про перспективність адаптації цього процесу для умов роботи в космосі. До того ж, така установка матиме ще більшу ефективність в космосі, аніж на поверхні Землі. Самі знаєте чому.

Дзеркала-концентратори для космічних індустрій

А дзеркала!? Вони ж дорогі, важелезні та крихкі! — докорятиме мені більшість ентузіастів космосу, одразу пригадуючи телескопи типу Джеймса Уебба і насилаючи на мене анафеми. Але ми ж не збираємося займатися астрономією на орбітальному складі пального, чи не так? Наша задача — груба концентрація сонячної енергії на невеличкій площині термо-хімічного реактору. І для цього не потрібні дзеркала класу телескопних. Цілком доречними будуть майже невагомі металізовані ПЕТФ-плівки. Конструкції для їх утримання і позиціонування можуть бути також, практично зефірними.

Сталося так, як вже бувало зі мною кілька разів. Десь із місяць тому я вже був винайшов спосіб, як можна легко в космосі робити плівкові дзеркала. Достатньо просто спаяти по периметру два кола плівки — одне металізоване, а інше прозоре. А потім надути будь-чим. І чим сильніше надуємо, тим коротший фокус матиме те сферичне дзеркало. Та потім я побачив роботу ще 2015 року мексиканських студентів з провінційного університету. А там вже все було

Вони досліджували саме такі надувні дзеркала. Взяли трубку діаметром 12,52 мм, та скрутили з неї хула-хуп із зовнішнім діаметром 820 мм. Вирізали з плівок два кола — одне із металізованого лавсану товщиною 0,05 мм, а друге з полікарбонату товщиною 0,15 мм і склали з них сендвіч, металевим шаром всередину. Склеїли-зварили плівки по периметру і закріпили на хула-хупі.

Повітря нагнітали через клапан, розміщений між обома мембранами при низькому тиску до 48 Па, щоб досягти необхідного радіусу кривизни. І побачили, як у цьому надувному дзеркалі гнучкі полімерні мембрани плавно викривлялися пневматичним тиском, одночасно надаючи всій системі жорсткість. В підсумку, вони отримали дзеркало у формі лінзи. Регулювання об’єму повітря в мембранах дзеркал дозволяє змінювати або зберегти фокусну відстань дзеркала, що нагадує роботу адаптивної оптики. Вартість виготовлення цих дзеркал діаметром 800 мм вони оцінили приблизно в 20,00 доларів США за кожне.

Автори відзначають деякі важливі особливості таких дзеркал. По-перше, дзеркала над-дешеві, прості у виробництві та легко досягають значень концентрацій до 25,1 сонця при фокусній відстані 5 м.

Тестова перевірка теплових характеристик системи з одним дзеркалом показує ефективність 37% для низькотемпературних застосувань, таких як нагрівання води в побуті. Масив із семи дзеркал, розташованих за гексагональною схемою, дозволив досягти коефіцієнта концентрації 87 сонць. При цьому вартість системи склала менше $200,00 а вага не більше 15 кг.

Ще раз підкреслю — це вже реалізоване, напів-кустарне виробництво дзеркал сонячних концентраторів для земних, побутових застосувань. Але їх хоч зараз закидуй на орбіту, і вони працюватимуть. Дуже проста технологія, і за космічними мірками — безкоштовна.

Для арифметичних підрахунків:

• Площа одного дзеркала діаметром 820 мм — 0,528 м²
• Маса одного дзеркала діаметром 820 мм — 2,143 кг
• Габарит гексагонального комплексу дзеркал — 2,5 м
• Площа гексагонального комплексу дзеркал — 3,7 м²
• Сонячна стала на орбіті Землі — 1,367 кВт/м²
• Потужність гексагонального комплексу дзеркал — 5 кВт
• Площа приймача сонячної енергії — 0,042 м² (квадрат зі стороною 20,6 см)
• Потужність концентрованої енергії на приймачі — 120 кВт/м²

А тепер уявіть собі, що вам поставили задачу зробити якомога потужнішу геліотеплову установку для розщеплення води з подібних дзеркал, габаритами вписаних у вантажний відсік Старшіпу. І видали на це один рейс з граничною вантажопід’ємністю 100 тонн і габаритами вантажного відсіку 8 метрів у діаметрі і висотою 20 метрів. З наведених вище параметрів, припустимо, що восьмиметровий хула-хуп із плівками і супутньою пневмо-електро-оздобою матиме масу 30 кг (песиместично). І таких хула-хупів можна стосом набрати до 100 тонн аж 3000 штук з гаком. Щоправда висота вантажного відсіку не дозволить цей стос умістити. Влізе лише 600 з гаком штук. Площа одного хула-хупа становитиме 50 квадратів. А площа всього масиву із 600 дзеркал — 30’000 квадратів — більше 4 футбольних полів. І збиратиме цей дзеркальний масив більше 41 МВт енергії. Збиратиме, і з мінімальними втратами нагнітатиме ті мегавати в реактор, в якому вода буде розщеплюватися на водень і кисень.

А це багато, чи мало, теплова потужність 40 МВт?

Мені трапилося твердження General Atomics, що лабораторний високотемпературний електроліз проводився з витратами 108 МДж теплової енергії на кілограм водню або 30 кВт*годин. Причому, вони передбачають, що водень, вироблений у високотемпературному газовому реакторі (ВТГР) коштуватиме $ 1,53/кг. У 2003 році водень, одержаний переробкою природного газу, коштував $1,40/кг.

Якщо припустити, що приблизно такого порядку енергозатрати спостерігатимуться на орбітальному заводі, то кожної години вироблятиметься приблизно 1’300кг водню і 10’600кг кисню. Якби Старшіп літав на водні, для його повної заправки знадобилась би кількість газів, який завод може виготовити за 100 годин безперервної роботи. За 4 доби.

Не знаю як вам, а мені такі цифри виглядають привабливими. Звісно, що перший завод не буде таким аж потужним. Але якщо він вироблятиме «заправний комплект» для місячних рейсів NASA хоча б за тиждень, це буде прекрасно.

Порівняльна логістика підйому кріогенних рідин та води

Згадана на початку статті ідея створення орбітального складу кріогенного пального з утилізованого 2-го ступеню SLS передбачає завантаження 300 кубометрів (грубо, 300 тонн) кріогенними рідинами у виконанні окремих рейсів спеціальних танкерів, які ще слід створити. До того ж, навряд чи NASA зробить танкери багаторазовими. Для заправлення такого складу знадобиться 3 запуски SLS. По мільярду доларів кожен. Особисто мене такий порядок цифр дещо напружує, хоч я і не платник американських податків.

Та у американців є Маск, а в того вже Starship під парами. Давайте прикинемо, як може виглядати державно-приватне партнерство в місіях заправлення згаданого складу NASA.

Припустимо, що 300-кубовий орбітальний склад кріогенних компонентів створений на орбіті і готовий приймати зріджені водень і кисень. А десь недалечко (в орбітальному сенсі) Маск розгорнув «водяний завод», що я вище ескізно окреслив. Приймемо за постулат, що флот Старшипів вже існує, а кораблі літають постійно і регулярно, з різним корисним навантаженням. Згадаємо також, що значна доля космічних запусків відбувається з неповним завантаженням, тобто маса вантажу буває менша, аніж максимально можлива для ракети-носія. Особливо проблема недозавантаження проявиться в часи, коли Старшіп стане основою флоту SpaceX. Свої Старлінки вони запускатимуть з максимальною ефективністю, тому що супутники однакові і доволі легкі, ними можна «засипати» вантажний відсік корабля під зав’язку. А от зі сторонніми вантажами доведеться морочитись — збирати rideshares. Або інколи літати зі значним недозавантаженням, бо окремі вантажі масою біля 100 тонн, це доволі рідкісне явище. Поки що.

Враховуючи також те, що ще на рівні розробки ТЗ для Старшіпа однією з головних вимог заявлений якнайменший міжполітний час обслуговування, стає очевидним, що обсяг пропозицій послуг виведення на орбіту буде значно перевершувати спроможність замовників надавати вантажі на повне покриття логістичної пропозиції. Не забуваємо також і про стрімке підсилення конкуренції з боку компаній-лідерів «нового космосу».

Таким чином, NASA буде зацікавлена в дешевому заправленні свого орбітального складу, а SpaceX буде ламати голову, як би так зробити, аби кожен рейс вантажного Старшіпа був максимально завантаженим і ефективним.

Це і є точка перетину інтересів держави і буржуїна.

Як виглядатиме орбітальна логістика?

Зараз точно не скаже ніхто, але ми можемо уявити найбільш імовірні схеми. Наприклад, SpaceX матиме низку «опорних» контрактів на виведення vip-вантажів і підлаштовуватиме під них свій розклад запусків, не дуже переймаючись коефіцієнтом завантаженості кожного рейсу. Просто перед кожним запуском сама SpaceX досипатиме-доливатиме до номінального навантаження власними вантажами, та/або кріокомпонентами палива, та/або водою.

Після виходу на орбіту і запуску сторонніх вантажів на узгоджені траєкторії, корабель стикуватиметься з власним орбітальним складом і скидатиме в нього надлишки палива та води. Переважно води. Чи самої води.

Тут є один цікавий момент. Собівартість рейсу з половинним завантаженням КК і з повним завантаженням, майже однакова. Ці два рейси відрізнятимуться лише різними обсягами спаленого пального. В грошовому вимірі, це кілька відсотків, або і менше відсотка від собівартості рейса. Отже, увесь водяний «баласт» підніметься на орбіту безкоштовно для SpaceX. Ну, майже безкоштовно.

«А навіщо Маску морочитися з водою, якщо у нього все метанове?» — спитаєте ви. З кількох причин, — відповім я

1. Вода, це добрий протирадіаційний захист. Якщо летіти людьми на Марс, такого захисту чим більше, тим краще
2. Ближче до часів реалізації марсіанського польоту все більш очевидним ставатиме факт, що для міжпланетних (орбіта-орбіта) перегонів краще використовувати не метан, а водень. Тут найбільше проявлятимуться переваги водню в питомому імпульсі
3. Для позаатмосферних кораблів не існує аеродинамічних обмежень, а відтак, розміри паливних баків не матимуть того значення, яке мають для звичних нам ракет.
4. Метан найбільш ефективний для човників (старшипів), що бігатимуть між поверхнею Землі та ННО. На Марсі отримати метан — та ще морока. Реакція Сабатьє, нагадаю, одним із етапів передбачає отримання водню з води, а потім з того водню, з додатковою морокою і витратами, планують робити метан. Навіщо водень заганяти в метан, якщо можна прямо на ньому і летіти? На Місяці взагалі не ясно, як робити метан, бо з вуглецем там скрута. У всіх сучасних візіях колонізації Місяця, всі танці й бубни крутяться виключно довкола полярної води

Не знаю як вам, а мені здається, що зовсім скоро Маск почне створювати водневі Раптори. А після запуску в серію перших метанових Старшипів, переспрямує своїх «головастиків» на створення водневої версії КК. І, можливо, на створення круїзних платформ-контейнеровозів для міжпланетного (орбіта-орбіта) каботажу.

Але ще раніше Маск змушений буде створити орбітальний склад пального. Спочатку метано-кисневу секцію, для обслуговування планетарних човників-Старшипів. А згодом, і водневу секцію. Причому кисневий відсік згодиться і для метанових, і для водневих варіантів кораблів. Саме на цьому етапі проявляться всі переваги підйому і зберігання звичайної води.

Отже, отримуючи майже дармову воду на орбіті і маючи доволі простий і потужний завод «крекінгу» води при орбітальному складі, Маск зможе не лише наближати здійснення своєї мрії, а ще й супутнім чином заправляти прямо на орбіті воднем і киснем сторонніх покупців. 300-кубовий склад NASA, наприклад. Або Артемідців, що прямують до Місяця. І собівартість того пального може бути на 1…2 порядки меншою в порівнянні з піднятими із Землі на одноразових дорогущих ракетах. А отже прибутковість такого бізнесу сягатиме сотень відсотків. І з появою конкуруючих виробництв, у Маска буде дуже великий запас міцності, буде куди опускатися роздрібними цінами, аж до відвертого наглого демпінгу. Це реальний Клондайк. І для NASA також, бо економія сягатиме сотень мільйонів народних доларів. І для Пентагону також, бо їхні платформи нового покоління, заправляючись на орбіті, зможуть здійснювати такі еволюції, які супротивникам і не снилися.

Зберігання води в рідкому стані на орбіті не висуває ніяких особливих вимог і не потребує заходів безпеки. Завдяки своїй унікально-великій теплоємності, вода може стати прекрасним тепловим демпфером для всього орбітального комплексу з можливістю акумуляції великих обсягів теплоти з подальшим віднесенням її на радіаторні масиви для охолодження.

Транспортування води з поверхні на орбіту абсолютно безпечне на всіх етапах рейсу. Навіть у випадку катастрофи РН, вода просто розхлюпається дощиком. Якщо ж возити зріджені водень та кисень, вони можуть додати вибухового жару в разі неполадок РН.

А ще у воді можна вирощувати рибу. Ловити її, і їсти на вечерю.

Перспективи

Для всіх перспективних позаатмосферних рушійних систем потрібне робоче тіло, в ідеалі — водень. Це стосується всіх різновидів електро-ракетних двигунів, включно з ядерними чи термоядерними силовими установками. Впевнений, і кисень теж може бути задіяний в якості робочого тіла. А отже, ринок збуту для продукції заводу водяного «крекінгу» невпинно зростатиме пропорційно зростанню космічної активності на ННО. Простота масштабування і заводу і складу компонентів дозволять гнучко підлаштовувати промфінплан під актуальну кон’юнктуру на все осяжне майбутнє.

Початок промислової переробки навколоземних астероїдів матиме готову енергетично-інфраструктурну базу на ННО Землі. Нові сировинні виробництва можуть розгортатися прямо на існуючих орбітальних складах-заводах. Або навпаки, склад-завод може, як той Магомет, сам прийти до Гори. Тобто, стати супутником астероїда і там працювати.

А коли вдасться притягти з космосу айсберг і на заводі спостерігатиметься надлишок води, можлива поява «паровозних» систем, про які я згадував в матеріалі На космонавтику очікує епоха парової тяги.

Висновки

• Вода невідворотньо стане основою космічної навігації, можливо залишивши метану нішу човників «поверхня Землі-орбіта»
• Створення орбітальних паливно-складських комплексів «склад+завод» стане потужним каталізатором для всіх космічних проектів через зміну концепцій космічної логістики — не потрібно буде з поверхні Землі піднімати все паливо місії, натомість частка корисних вантажів у загальній масі стартуючих ракет зросте
• Використання сонячної енергії з мінімальною кількістю перетворень дозволить спростити конструкцію та підвищити ефективність космічних виробництв, і не лише розщеплення води на компоненти палива. Цей підхід обіцяє стати корисним і в металургії (на утилізації орбітального сміття), і у виробництві кераміки, в тому числі на поверхні Місяця, і для створення великих позаземних споруд відкритого космосу (обробка металів і їх зварювання, виробництво базальтоволокна та скла з розплавів та інш.)
• Дешеві, легкі і прості надувні конструкції з використанням металізованих плівок можуть стати і стануть основою сонячної енергетики в космосі, бо вони можуть бути застосовані для концентрації світла на сонячних батареях, значно підвищуючи їх ефективність, а отже зменшуючи потребу в самих СБ. Цей момент особливо важливий в умовах експлуатації в околицях Марсу і далі, аж до Оорта
• Все вищеозначене можливе швидкою (5…10 років) реалізацією лише за умови реалізації конвеєрного виробництва системи Старшіп із заявленими параметрами та можливостями. Як наслідок, Маск отримає монопольні позиції на всіх сегментах ринку орбітальних індустрій і логістики
• І це добре

Я усвідомлюю, що текст вийшов дещо сумбурним. Не всяка річ, що є очевидною для мене, є такою і для кожного з вас. І навпаки. Якщо якісь моменти для вас видаються недостатньо розкритими, вказуйте на них. Обов’язково відповім і поміркуємо разом. Найбільш цікаві і слушні фрагменти обговорення додам в підвалі статті у вигляді FAQ.

FAQ

• Q. Volodymyr Riaboshapka питає: “…щодо агрегатного стану води при зберіганні. Розкрийте будь ласка — як буде підтримуватись, чи буде сталою завдяки величезній теплоємності, що перебування в тіні землі ніяк не вплине.”

  A. Як точно підмічено, вода має шалену теплоємність. Аби нагріти кілограм води на 1 градус Цельсія, доведеться витратити 4200 Джоулів. Завдяки цій властивості масив рідкої води є дуже інерційним в теплотехнічному сенсі. Тепер згадаємо, як кружляють довкола Землі супутники, періодично занурюючись в земну тінь. Грубо кажучи, половина витка супутник нагрівається на сонці, а половину витка вихолоджується в затінку. При чому, за кімнатної температури (20С), поверхня чорного об’єкта випромінює тепло з інтенсивністю 418 Вт/м². Зате на сонечку таж поверхня отримує (Сонячна стала на орбіті Землі) – 1367 Вт/м². Як бачимо, якщо не вживати заходів з терморегуляції, діжка з водою на орбіті Землі за якийсь, хоч і доволі тривалий час, закипить. Надлишок сонячного тепла може бути нейтралізований екрануванням водяної діжки. Або навпаки, використаний за прямим призначенням — вода, що готова потрапити безпосередньо у реактор розщеплення, може забирати з собою надлишки тепла з основного резервуара, заздалегідь підігріваючись. За допомогою звичайного холодильника-кондиціонера.