Strange Paths
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Message Gilgamesh Moderator le 13 Avril 2008 17:50

Propriétés physiques des isotopes de l'hydrogène.

http://www.osti.gov/bridge/servlets/pur ... /15056.pdf

Hydrogene H2
Densité : 0.09 g/cm3
Point d'ébullition à 1 atm : 20.4 K
température du point triple : 13.8 K
Pression du point triple : 54 torr
Contrainte de cisaillement : 0.1 MPa (à 10 K)

Deutérium D2
Densité : 0.2 g/cm3
Point d'ébullition à 1 atm : 23.7 K
Température au point triple : 18.7 K
Pression au point triple : 129 torr
Contrainte de cisaillement : 0.5 MPa (à 9 K)

Tritium T2
Densité : 0.32 g/cm3
Point d'ébullition à 1 atm : 25 K
Température au point triple : 20.6 K
Pression au point triple : 162 torr
Contrainte de cisaillement : 1.2 MPa (à 9 K)

a+



Message Gilgamesh Moderator le 17 Mai 2008 22:00

Deuterium

Poids moléculaire : 4.029 g/mol

Phase solide

Point de fusion : -254.6 °C
Chaleur latente de fusion (1,013 bar, au point triple) : 48.785 kJ/kg

Phase liquide

Masse volumique de la phase liquide (1,013 bar au point d'ébullition) : 162.4 kg/m3
Equivalent gaz/liquide (1,013 bar et 15 °C) : 974 vol/vol
Point d'ébullition (1,013 bar) : -249.6 °C
Chaleur latente de vaporisation (1,013 bar au point d'ébullition) : 304.4 kJ/kg

Point critique

Température critique : -234.8 °C
Pression critique : 16.65 bar

Phase gazeuse

Masse volumique du gaz (1,013 bar au point d'ébullition) : 2.5 kg/m3
Masse volumique de la phase gazeuse (1,013 bar et 15 °C) : 0.168 kg/m3
Facteur de compressibilité (Z) (1,013 bar et 15 °C) : 1.0074
Masse volumique (air = 1) (1,013 bar et 21 °C) : 0.139
Volume spécifique (1,013 bar et 21 °C) : 5.987 m3/kg
Viscosité (1,013 bar et 0 °C) : 0.0001185 Poise
Conductivité thermique (1,013 bar et 0 °C) : 130.63 mW/(m.K)

Autres données

Solubilité dans l'eau (1 bar et 0 °C) : 0.02 vol/vol
Température d'autoinflammation : 560 °C



Message Gilgamesh Moderator le 17 Mai 2008 22:08

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Message Gilgamesh Moderator le 18 Mai 2008 14:13

Protection contre les pertes thermiques

Une remarque de bon sens de gillesh sur Futura science : la puissance de la surface moteur est tellement gigantesque qu'il faut s'attendre à une émission thermique considérable.

On a en effet quelque 100 000 moteurs sur les 12 pétales de la corolle.
Chacun représente une puissance unitaire de 50 000 GW.


Citer:
je dirais qu'il y a quand meme une limite minimale à la taille du système : en effet il est assez improbable qu'on puisse éviter une dissipation de chaleur dans ton système, et la température d'équilibre sera au minimum celle imposée par une loi de corps noir. Si on prend comme température maximale pour les matériaux environ 1000 K, on obtient une taille minimale de
Image
où f est la fraction dissipée sous forme de chaleur. Pour fP = 2 GW (centrale électrique ), on obtient une source d'environ 200 mètres ce qui me semble un bon ordre de grandeur. Si un moteur développe 50 000 GW, avec seulement 1 % de perte, il devrait faire quand meme au moins 2 ou 3 km de large... si tu en veux 100 000 il te faut une structure au minimum de 1000 km soit... la Lune environ, sauf erreur....


Il s'agit là je pense d'un problème très général et qui soit donc être traité très en amont de la réflexion sur la structure. On rassemble un très grand nombre de point hyper-chaud (1 GK ou plus) dans une surface restreinte, et la question se pose de savoir comment protéger la structure habitable qui est derrière et avant ça, la structure même des moteurs.


On peut, sans trop particulariser le problème, détailler quel problème se pose en termes de température de surface.


Soit une surface quelconque, réprésentant la surface à propulser, de dimension L (et de surface L²), de masse surfacique e.rho avec e l'épaisseur et rho la masse volumique. Soit L².e.rho sa masse.

On l'accélère jusqu'à la vitesse v sur une durée d'accélération t à l'aide d'un carburant de densité d'énergie epsilon (en J/kg).

On applique l'équation de Tsiolkovski ; la masse de carburant est :

Image

La puissance totale Pt (propulsion + perte) qui se dégage de cette surface durant la durée t est M.epsilon/t, soit :

Image

La puissance radiative des pertes est :

P = f.Pt (avec f le % de perte)

et doit être rayonnée :

P = sigma.L².T^4
avec sigma la cte Stefan et T la température effective de surface (on suppose qu'une seule face rayonne ce qui correspond au cas très général où on souhaite une surface "froide").

Soit :

Image

Pour :
e.rho = 10 000 kg/m²
epsilon = 5e14 J/kg
v/ve = 0,3, soit exp(v/ve)-1 = 0,35
t = 50 ans soit 1,6e9 s
et
f = 0,5

j'ai un T de l'ordre de 10 000 K

Le problème est ici particularisé dans l'application numérique, mais ça ne concerne pas le mode de propulsion, si ce n'est que ça fonctionne avec un carburant à très haute densité d'énergie, caractéristique de la fusion.

Il faudrait arriver à un taux de perte thermique f de l'ordre du cent-millième pour arriver à des température de surface inférieur à 1000 K, compatible avec la tenue de la plupart des matériaux solides prolongée sur plusieurs décennies consécutives (les matériaux aéronautiques classiques peuvent suporter des températures bien supérieur, jusqu'à 2000 K mais la contrainte ne se prolonge rarement plus de quelques minutes. Un taux de perte aussi faible semble assez irréaliste. Si on augmente les surfaces radiative, cela nécessite de la masse suplémentaire, ça ne résout pas non plus le problème.

L'idée est d'utiliser le plasma comme un bouclier thermique absorbant suffisemment les pertes et dégradant le rayonnement jusqu'à une fenêtre spectrale où ce rayonnement thermique devient réflechissables par des surfaces miroirs "classiques" (probablement multicouches).

Il s'agirait donc :

[*] de diminuer au maximum la masse solide de la structure en contact avec le rayonnement, de telle sorte que le refroidissement de la masse puisse être assumée par des radiateur "basse température" rayonnant devant le mur froid de l'espace par exemple sur les côté de la coroles (et par de la production d'électricité)

[*] de faire assumer le maximum de pertes par un plasma d'une certaine épaisseur optique. Ce plasma chauffé dégrade le rayonnement reçu de telle sorte qu'il arrive dans une fenêtre spectrale où il devient massivement réflechissable par des surfaces miroirs.

Le défis technologique clé qui traduisent cette exigence deviennent :

- d'assurer la contention magnétique et la production d'un champs électrostatique avec le minimum de matériaux solides, ceux ci devant être refroidit (par un courant gazeux circulant à l'intérieur a priori).

- de produire de grandes surfaces ultra réflechissantes sur un large spectre.



L'idée directrice :

Point 1 : les moteurs fonctionnent à 1 GK. Soit un spectre X et gamma. Plus un flot énorme de neutrons.

Point 2 : Aucune surface solide n'est capable d'encaisser cela, avec un tel flux surfacique de puissance.

Point 3 : Donc les moteurs doivent être "le moins solide possible". J'entends par là que l'accès à un tel débit de puissance passe par une traès grande maitrise des plasmas à la fois pour assurer les conditions de la fusion et pour l'évacuation de la chaleur.

Point 4 : L'idée est donc d'insérer entre les moteurs et l'Arche une couverture plasma assez opaque pour :
1/ encaisser le flux de rayonnement thermique et neutronique dans sa totalité
2/ réemettre les pertes à une température suffisante pour que le débit surfacique reste compatible avec les ~200 km² de la corole.


Schéma de principe :

Image


Les performances exigibles de la surface réflechissante sont un (1-R) de 1e-8 (cf. post suivant), ce qui est extrêmement élevé ; c'est en ordre de grandeur le taux de réflexivité des miroirs ultra réfléchissants des interféromètres gravitationnels, ce qui nous place aux limites des technologie actuel, sur de petites surfaces et dans l'optique.

On peut envisager (mais difficilement d'un point de vue géométrique) superposer deux épaisseurs de paroi réflechissante et dans ce cas les performances exigible de chacune sont réduite d'un facteur racine carré, soit 10-4


Mais même ainsi, comme le fait remarquer Lambda :

Citer:
On atteint des coefficients de réflexions très élevés pour des spectres quasi-monochromatiques, ou une faible ouverture angulaire, dans le domaine visible ou pas trop loin.
Un miroir à R=1-2.10-4 sur un spectre large, avec une large ouverture angulaire (dont des incidences quasi-normales), et dans l'UV profond, parait un peu utopique.



Afin de diminuer les contrainte technologiques qui pèse sur les surfaces miroir on peut jouer sur l'intensité de la pression magnétique et aménager un cycle comportant une décompression adiabatique (P1,T1 --> P2, T2, avec P1>P2) dans la partie basse de la trajectoire du plasma de refroidissement, un peu comme ça, dans l'idée (u étant la vitesse de circulation du plasma) :

Image


Le spectre du rayonnement serait décalé des UV dans l'optique ce qui facilite la conception de surfaces réfléchissantes. Mais bien entendu ça ne réduit pas l'intégralité du défis technologique que représente la manufacture de telle surface et le saut technologique que ça devrait nécessiter.

a+


M\ =\ L^2 e \rho \left(e^{\frac{v}{v_e}}\ -\ 1\right)
P_t\ =\frac{1}{t}\epsilon \ L^2 e \rho \left(e^{\frac{v}{v_e}}\ -\ 1\right)
T^4\ =\ f \frac{1}{t}\frac{\epsilon}{\sigma}e \rho \left(e^{\frac{v}{v_e}}-1 \right)



Message lambda0 le 21 Mai 2008 11:42

Salut

Tu es sûr de ce chiffre de 50000 GW par moteur ? :shock:
Je croyais que c'était plutôt de l'ordre de 50 GW (ce qui est déjà pas mal, c'est presque la puissance nucléaire installée en France)
50000 GW*100000 = 5e18 W
A 1e14 J/kg (approx.), ça fait 50 tonnes/s, soit 1.5 milliards de tonnes par an.



Message Gilgamesh Moderator le 21 Mai 2008 20:31

lambda0 a écrit:
Salut

Tu es sûr de ce chiffre de 50000 GW par moteur ? :shock:
Je croyais que c'était plutôt de l'ordre de 50 GW (ce qui est déjà pas mal, c'est presque la puissance nucléaire installée en France)
50000 GW*100000 = 5e18 W
A 1e14 J/kg (approx.), ça fait 50 tonnes/s, soit 1.5 milliards de tonnes par an.


Avec M=20 Gt, j'ai une masse de carburant de 0,82M=16 Gt. Pour une durée d'accélération de 1 siècle, ça me donne une conso de 5,2 t/s (160 Mt/ans).

Si je prend une densité d'énergie de 1e14 J/kg ça fait 5200 GW par moteur ; j'étais partie de 5e14 J/kg qui est proche du maximum théorique. Ca aurait du me donner 26 000 GW, y'a un facteur 2 que j'explique pas bien, là... :x

L'énormité de ce chiffre - il reste énorme - signifie peut être qu'il est illusoire d'accélérer "rapidement" et que les moteurs doivent fonctionner sur l'ensemble de la durée du trajet. On doit gagner un facteur dix...

Comme tu le disais dans nos premiers échanges, c'est bien la motorisation qui reste l'aspect le plus dantesque - et en l'état irréaliste - du projet. Et le plus en jachère au plan théorique...

Rationaliser la limite supérieure théorique de densité de puissance technologiquement concevable serait un grand pas pour la réflexion. L'approche par la température de surface m'a déjà pas mal ouvert les yeux ; mais le taux de perte reste un paramètre libre à mon niveau.

Que pense tu déjà de l'approche "maxi plasma" qui est la mienne ? Un moteur formé d'un minimum de solide et sculptant des plasma pour le confinement, l'éjéction, la protection contre les neutrons (encore un truc pas calculé du tout...) et le rayonnement ?

Pour la production du champs magnétique, j'imaginais que l'élément conducteurs pourrait être constitué de tube creux au sein desquels circulerait un plasma -encore- qui serait le siège d'un fort courant et qui servirait également à refroidir le tube.


a+



Message lambda0 le 22 Mai 2008 09:56

Gilgamesh a écrit:
...
Que pense tu déjà de l'approche "maxi plasma" qui est la mienne ? Un moteur formé d'un minimum de solide et sculptant des plasma pour le confinement, l'éjéction, la protection contre les neutrons (encore un truc pas calculé du tout...) et le rayonnement ?
...


Ca peut être une bonne idée, mais je ne vois pas du tout comment ce serait fichu géométriquement, ni ou on mettrait les aimants créant le champ (aimants dont la masse ne doit d'ailleurs pas être tout à fait négligeable, surtout si ça doit être supraconducteur avec de la cryogénie autour).

Maintenant, si tu veux une bonne accélération, je ne crois pas qu'il y ait mieux que le nucléaire pulsé façon Orion.
C'est beaucoup plus simple, et en plus, c'est la seule propulsion interstellaire concevable en partant des technologies actuelles.

A+



Message Gilgamesh Moderator le 22 Mai 2008 20:59

lambda0 a écrit:
Gilgamesh a écrit:
...
Que pense tu déjà de l'approche "maxi plasma" qui est la mienne ? Un moteur formé d'un minimum de solide et sculptant des plasma pour le confinement, l'éjéction, la protection contre les neutrons (encore un truc pas calculé du tout...) et le rayonnement ?
...


Ca peut être une bonne idée, mais je ne vois pas du tout comment ce serait fichu géométriquement, ni ou on mettrait les aimants créant le champ (aimants dont la masse ne doit d'ailleurs pas être tout à fait négligeable, surtout si ça doit être supraconducteur avec de la cryogénie autour).

Maintenant, si tu veux une bonne accélération, je ne crois pas qu'il y ait mieux que le nucléaire pulsé façon Orion.
C'est beaucoup plus simple, et en plus, c'est la seule propulsion interstellaire concevable en partant des technologies actuelles.

A+



:jap:

Effectivement, faudrais que je me penche dessus.

a+



Message Gilgamesh Moderator le 01 Juin 2008 17:15

Je continue sur la configuration propulsive initiale, sur l'aspect carburant.

Dimension et géométrie des coroles corburant.

M1 représente la masse consommée à l'accélération et M2 au freinage.

Le ratio des masse est tel que M1 = (0.57/0.43) M2.

Ces masse forment à l'avant, protégé du rayonnement, deux tronc de cônes de 12 pétales comme à l'arrière mais contrairement à la corole propulsive, les pétales sont ici jointifs.



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Surface d'un tronc de cône S(a,b,h) :

Image

S\ =\ \frac{\pi}{2}(a\ +\ b)\sqrt{\left(\frac{a\ -\ b}{2} \right)^2 \ +\ h^2}

Au mètre près :
Code:
Corole M1
a1      10 000 m
b1       7 189 m
h1       3 395 m
m1       3 674 m
S1  99 206 943 m2

Corole M2
a2       9 000 m
b2       1 000 m
h2       2 588 m
m2       4 764 m
S2  74 840 325 m2



Epaisseur des surfaces carburant : 472 mètres.

Code:
Masse arche    2,00E+13 kg
vitesse          4500 km/s
u             15000 km/s
exp(2v/u)-1     0,822
Masse carburant   1,64E+13 kg
densité D2    200 kg/m3
Volume           8,22E+10 m3
Surface totale   1,74E+08 m2
Epaisseur     472 m



Message Gilgamesh Moderator le 02 Juin 2008 23:50

Image

interwall partial vacuum (20 mbar of H2O vapor) : not to scale (30 m)




Dans le conduit interne des torons (en bleu) circulent l'eau (+ nutriments) et la lumière. Les parois du conduit sont donc photosynthétique.


La paroi du toron est constitué d'un grand nombre de fibres (à des degrés divers de croissance car la parois se renouvèle) et l'ensemble est recouvert d'une écorce-épiderme de latex visqueux et sombre qui assure l'isolement et l'étanchéité des parois de l'Arche.


Les torons sont disposés sur 2x3 couches en quinconce pour les parois latérale et 10 couches en quinconce pour le plancher.


L'interparoi des flancs (30 m environ) est un vide partiel de vapeur d'eau à la pression de vapeur saturante à 20°C (20 mbar).


A l'extérieur, on imagine des passerelles de circulation et d'inspection, environ une tous les 100 mètres.

a+



Message Gilgamesh Moderator le 03 Juin 2008 00:03

La lumière

La puissance lumineuse capable de nourrir cet ecosystème marin et terrestre correspond à la moyenne de l’ensoleillement terrestre au sol, de l’ordre de 400 W/m², soit une puissance lumineuse totale de 125 GW pour éclairer les 314 km² de l’Arche.
Cette puissance produite au Moyeu est transmise à une anneau solaire intérieur, de 1200 m de long pour 900 m de diamètre. Le rayonnement partant de l’anneau doit atteindre chaque parcelle de la surface. Pour cela, l’anneau forme un renflement, une ellipsoïdes tronquée, afin que les rayon normal à sa surface atteigne les point le plus éloignés de l’axe médian ; il faudrait plutôt parler du ‘fuseau solaire’. La hauteur du renflement, au médian de l’ellipsoides est de 117 m et la longueur de l’arc de 1230 m. Cela représente au totale une surface lumineuse de 3,8 km². Cette surface est composée d’un tapis de diodes électroluminescentes dont la couleur combinée de rayonnement donne un spectre solaire, coupée d’une partie des infrarouges. La réemission du sol de l’Arche suffit à compléter cette partie manquante du spectre. Le rendement de conversion des diodes est supérieur à 99% de sorte que l’anneau s’échauffe peu. L’eau de refroidissement provient des parois comme pour celle de la production électrique. Du sol, il est vu comme un rectangle à la verticale du ciel, de 15° de long et 11° de large, grand comme une main ouverte vue à bout de bras. Il est 740 fois plus étendu que le Soleil dans le champs du regard, pour une même puissance lumineuse transmise.

Chaque ensemble de diode, d’un diamètre de 1.2 m est placée dans le fond d’un manchon métallique motorisé, aux parois ultra réflechissantes et de hauteur variable. En sortant le tube à l’aide d’un minuscule moteur, on resserre la taille de la tache lumineuse faite au sol. A minima, la surface de cette tache n’excède pas celle d’un hexagone (largeur 960 m). Toutefois la puissance reçue est alors restreinte. On peut ainsi faire varier l’insolation de place en place à volonté. Pour bénéficier d’une pleine insolation (1 kW/m²) il faut voir l’ensemble de l’anneau solaire. Le cycle de commande appliqué aux manchons des diodes permet de mimer approximativement, pour chaque type de région climatique, le cycle de variation de la puissance reçue au sol en fonction de la hauteur du Soleil, sur Terre.

Anneau solaire (solar ring):
Rayon (radius) : 500 m
Longueur (lenght) : 1200 m
Puissance surfacique (surfacic power) : 3,3 W/cm²
Puissance totale (total power) : 125 GW

Image

Image

Donc l'anneau n'est pas un cylindre, mais une ellipsoïde tronquée.

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L'angle avec l'horizontale aux deux extrémités du fuseau est de 45° si je ne me suis pas gouré.



Message Gilgamesh Moderator le 19 Juin 2008 07:30

Evaporation de l'épiderme et perte de masse.

Soit M la masse de l'Arche, R sont rayon, m le poids d'une particules non liée à la surface de l'Arche.

La vitesse de libération est :
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La température de surface est T ~ 283 K (10°C)

La vitesse quadratique moyenne est :
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Un ordre de grandeur de la masse minimum au delà de laquelle la particule ne s'échappe pas spontanément du champs de gravité est donné par en égalant ces deux vitesses, soit :

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D'où :

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soit m = 4,4.10-20 kg, soit 26 millions de dalton.


Une cellule biologique est donc retenue sans problème par le champs de gravité.

D'un point de vue moléculaire par contre, on recherchera un bitume de polymères à très haut poids moléculaire.


Nombre relatif de particules dans la queue de distribution selon la statistique de Maxwell-Boltzmann.

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avec :
E0 = mu02/2

soit :
E0 = GMm/R

d'où :

Image

A noter que ce résultat reste très académique car sur toute la surface externe de la semelle, l'accélération centrifuge est de 1 g !

Code:
u\ =\ \sqrt{\frac{2GM}{R}}

\sqrt{<u^2>}\ =\ \sqrt{\frac{3kT}{m}

\frac{3kT}{m}\ =\ \frac{2GM}{R}

m\ =\ \frac{3kTR}{2GM}

\frac{1}{N}\int_{E_0}^{\infty}N(E)dE\ =\ \frac{2}{\sqrt{\pi}}\sqrt{\frac{E_0}{kT}}\ e^{-\frac{E_0}{kT}}

\frac{1}{N}\int_{E_0}^{\infty}N(E)dE\ =\ \frac{2}{\sqrt{\pi}}\sqrt{\frac{GMm}{kTR}}\ e^{-\frac{GMm}{kTR}}



Message Gilgamesh Moderator le 28 Juin 2008 19:26

Pour la structure des panneaux des hexagones carburant, il y a un candidat séduisant : le borohydrure de lithium (LiBH4). Le composé est stable (il faut le soumettre à 300°C pour qu'il "expurge" son hydrogène). Et bien entendu, Li et B sont des candidats de choix pour la fusion et sont très légers. C'est vraiment la maison de Hansel et Gretel :)

Par contre, ils sont relativement rare, donc il faut affiner au maximum les parois.

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Ci dessus la version "haute pression" (10 000 - 200 000 atm) du borohydrure de lithium. En gris, les atomes de lithium, en rose-orangé, les tétraèdres d’hydrure de bore, étonnamment proches, les atomes d’hydrogène n’étant éloignés que d’environ 1,9 angström. © Y. Filinchuk, D. Chernyshov, A. Nevidomskyy et V. Dmitriev
La version dont je parle est basse pression, qui contient 18% en masse d'hydrogène.

Formule moléculaire brute : H4BLi

Noms français :

* Borohydrure de lithium

Autres noms :

* BORATE(1-), TETRAHYDRO-, LITHIUM
* Borohydrure de lithium
* Lithium borohydride
* LITHIUM BORON HYDRIDE

Utilisation et sources d'émission : agent réducteur, fabrication de produits organiques

Apparence : solide poudreux cristallin, blanc ou gris, inodore

Propriétés physiques :

État physique : Solide
Masse moléculaire : 21,79
Densité : 0,66 g/ml à 20 °C
Solubilité dans l'eau : Soluble
Densité de vapeur (air=1) : Sans objet
Point de fusion : 268,00 °C
pH : 7,0 solutions aqueuses neutres
Limite de détection olfactive : Sans objet
Taux d'évaporation (éther=1) : Sans objet

Stabilité : ce produit est instable dans les conditions suivantes: il absorbe l'humidité de l'air (hygroscopique) et réagit avec l'eau ou l'humidité en dégageant de l'hydrogène un gaz explosif et inflammable.

Incompatibilité : ce produit est incompatible avec ces substances: Les agents oxydants. Avec l'eau il y a formation lente d'hydrogène (un gaz inflammable et/ou explosible) et d'hydroxyde de lithium. Avec les acides il y a dégagement d'hydrogène et de diborane qui sont des gaz inflammables et/ou explosibles. Avec les alcools il y a dégagement d'hydrogène. Note: il est, la plupart du temps dissout dans un solvant comme le tétrahydrofuranne.

Décomposition thermique (380°C): hydrogène, composés de lithium et de bore.

http://www.sciencelab.com/xMSDS-Lithium ... de-9924508

Lithium borohydride (LiBH4) is known in organic synthesis as a reducing agent for esters.
It is also renowned for one of the highest energy density chemical energy carriers. By reacting with atmospheric oxygen it liberates 65.2 MJ/kg heat, and its density of 0.666 g/cm3 gives 43.4 MJ/L. In comparison gasoline is 44 MJ/kg and 29 MJ/L, while liquid hydrogen is 120 MJ/kg, but a very low 8 MJ/L because of the very low 0.0708 g/cm3. The high specific energy density of lithium borohydride has been well known, and the material has been proposed for rocket fuel, but despite the research and advocacy it has not been used widely. One of the issues with all chemical hydride based energy carriers is the recycling complexity and energy conversion efficiency. While batteries such as lithium ion carry an energy density of up to 0.72 MJ/kg and 2 MJ/L, their DC to DC efficiency is on the order of 90%. In view of the complexity of recycling mechanisms for metal hydrides,[1] such high energy conversion efficiencies are beyond practical reach.

http://www.hydrogenresearch.org/WHEC15/ ... 0LiBH4.pdf

Intrinsic gravimetric hydrogen density of 18.5%

• Discovery of LiBH4 part of a World War II
research program on developing agents for
rapid deployment of signal balloons in the field

• Begins to decompose at 275o C; decomposition
proceeds to lithium hydride and diborane, which
further condenses to make B10H14 and H2

Aqueous chemistry of LiBH4:

• One mole of lithium borohydride reacts with 4
moles of water to generate lithium hydroxide and
boric acid plus hydrogen gas:
LiBH4 + 4 H2O → LiOH + H3BO3 + 4 H2

• By this mechanism, one gram of LiBH4 liberates
4.11 liters of hydrogen gas at STP.



Message Gilgamesh Moderator le 13 Juillet 2008 01:15

Hello,

retour sur le climat...

On désire organiser plusieurs zones climatiques, avec pour fixer un ordre de grandeur un contraste thermique permanent de l'ordre de ΔT= 20°C par quart de tour.

On aurait ainsi une bande froide à -10°C, une bande chaude à 30°C et entre les deux deux bandes tempérée à 10°C.

Vue en coupe :
Image

Je me pose la question de la géométrie des courant atmosphérique assurant les échanges de chaleurs entre ces zones.

L'anneau centrale diffuse un rayonnement lumineux de puissance moyenne égale à ce que reçoit la Terre,
soit P ~ 370 W/m² environ.

On peut imaginer absorber ce flux, notamment au niveau de la zone chaude mais cela nécessite de faire intervenir un changement d'état de l'eau probablement et l'atmosphère va inévitablement en prendre une partie. Imaginons que ce soit la totalité pour voir. Le but est de calculer la vitesse caractéristique du flux de convection thermique. Pour évacuer la puissance surfacique reçu, en prenant comme masse volumique et capacité calorifique de l'air :

ρ = 1,3 kg.m-3
C = 1010 J.[kg.K]-1

...je trouve que la vitesse moyenne de la colonne d'air est de l'ordre de :
v=2 cm/s

L'accélération de Coriolis est ici verticale, c'est l'originalité de ce système climatique. Donc c'est en montant, en se rapprochant du centre de rotation, que le flux d'air va subir l'accélération transversale (et non horizontalement comme sur Terre).

Le rayon de courbure de la cellule de convection (l'équivallent du diamètre des perturbation terrestres) Rc est :

Image

voir ici :
http://en.wikipedia.org/wiki/Coriolis_effect#Cannon_on_turntable

Ce qui me donne Rc~ 20 cm !

La force de Coriolis est tellement importante que tout mouvement ascendant est immédiatement transformé en turbulences. Enfin, c'est ce que j'en déduis.

Par ailleurs, c'est la 2e originalité, l'arche est "refroidie par le sol" et non "par le toit". Sur Terre, c'est l'émission vers l'espace qui assure la permanence du contraste thermique avec l'altitude. Les échanges verticaux sont d'autant plus réduits dans l'Arche.

Du coup -- c'est la conclusion que je désire soumettre : tous les mouvements vont se faire parallèlement à la surface, avec un "feuilletage" important, c'est à dire une convection verticale bloquée.

Si je cloisonne mon arche, je peux ainsi maintenir des zones climatiques au sol assez facilement.

Image


Est ce que ça vous parait correct ?


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Message Gilgamesh Moderator le 26 Février 2009 10:18

J'ai un peu erré ces derniers temps, pour m'aventurer finalement à consolider la question de l'extraction des matériaux de l'Arche.

On a besoin pour bâtir la structure fibreuse de l'Arche d'éléments volatiles en quantités énormes. Deux solutions : les prélever sur Terre ou dans le système solaire.

Pour les prélever sur Terre, il faut leur donner la première vitesse cosmique, celle qui donne accès à l'orbite basse (LEO), plus celle nécessaire à la traversée de l'atmosphère. Cela représente un deltaV ~ 9 km/s (8 km/s sans atmosphère).

Pour les prélever dans le système solaire il faut aller jusqu'au delà de la limite des glaces, qui se situe à l'orbite de Jupiter. Au périhelie, l'orbite jovienne approche à r1 = 4,95 UA du Soleil.

L'Arche reste en orbite à 1 UA, et on désorbite les masses de matériaux volatiles nécessaires à sa croissance (eau, glace carbonique, ammoniac, méthane...) depuis les corps situés au delà de la limite des glaces du système solaire, un peu au delà de la Ceinture d’astéroïdes. De préférence, on ciblera les petits corps dont la gravité de surface est très faible et qui sont peu évolués.

Il existe aux points de Lagrange L4 et L6, à 60° de part et d'autre de l'orbite de Jupiter, un groupe d'astéroïdes gelés, les Troyens, répartis en deux groupes : les Grecs en L4 et les Troyens en L5. On soupçonne les Troyens d'être des corps rescapés du bombardement intense tardif ou Late Heavy Bombardment (LHB) qui a eu lieu environ 700 Ma après la naissance du système solaire. Ils proviendraient de la ceinture de Kuiper disloquée par l'influence gravitationnelle de Neptune et seraient à ce titre riches en glaces planétaires, étant formés très loin du soleil. Ces glaces contiennent tous les éléments dont on a besoin pour faire croitre une structure végétale.

[img] http://hfr-rehost.net/http://www.astros ... grange.png[/img]


Le deltaV minimal (transfert de Hohmann) pour désorbiter une masse depuis cette distance r1 jusqu'à la distance r2, l'orbite terrestre (1 UA) est :

Image

Avec µ = GM
G la cte de gravitation et M la masse du Soleil 1,99e30 kg

soit deltaV = 3,9 km/s

L'énergie cinétique du transfert de Hohmann depuis la limite des glaces représente 1/4 (au minimum) de celle que nécessite l'extraction de matériaux terrestre. Ce n'est pas un avantage si considérable en soi, car les contrainte techniques sont par ailleurs bien plus grandes. Mais cela joue sur des masses vraiment considérables.

L'énergie cinétique de désorbitation depuis Jupiter représente 1,5e20 J (8,1e20 J depuis la Terre + atm) pour 20 Gt. En 2010, l'activité humaine représente 5,1e20 J annuels (cf Échelle de Kardashev).

La conquête des petits corps glacés réprésente une économie d'énergie de quelques années de production énergétique terrestre. Mettons que ça valle le coup. Sus aux Troyens.



On imagine donc des missions capables d’amener en trajectoire directe des navettes jusqu’à croiser près de Jupiter. Ces navettes sont capable de conduire 12 hommes en 6 mois, pour y travailler de quelques semaines à 6 mois (soit des mission d'un an et demi au maximum).

Ces équipes amènent avec elles une centrale minière autonome, une mineuse, d’environ 10 m de diamètre.


La mineuse s’enterrant dans le manteau glacé de l'astéroïde, fait tourner une grosse vis d’Archimède creuse, chauffée de l’intérieur par un courant gazeux, comme un énorme ver des glaces. Les vapeurs captée au sein de la vis sont recueillies par une tuyauterie périphériques et acheminées vers d’immenses enveloppes à fines parois. Les gaz extraits s’y refroidissent et recondensent en glace en rayonnant leur chaleur dans l’espace. Selon la température de la vis, on extrait de manière fractionnée les différentes composantes des manteaux glacés. En fin de processus on a accumulé d’énormes poches de matériaux solides et purifiés : eau, oxyde et dioxyde de carbone, méthane, ammoniac...


La mission de retour le ramène en orbite terrestre, à la manière d’un pousseur sur les canaux terrestre. Sur sa nouvelle orbite rapprochée et fortement illuminée par le Soleil, le contenu des réservoir riche en hydrogène (OH2, NH3, CH4…) passent en boucle dans un grand dispositif fonctionnant à l'énergie solaire, l’Alambic.


L'Alambic se compose d'un tunnel cylindrique de grand diamètre fait d'un polymère très fin et gonflé à très faible pression, sur le point de Lagrange Terre-Lune, disposé perpendiculairement au rayonnement solaire. Sa face dirigée vers le Soleil est transparente. L’autre face, recouvert d’une fine couche d’aluminium, forme un miroir parfait. Dans l'axe du tunnel, au foyer du miroir cylindrique, court un tube de carbone, supportant de très haute température, sur lequel se concentre les feux concentrés du rayonnement solaire.


Faisant un angle droit avec ce cylindre, protégé du rayonnement solaire par la paroi réfléchissante, s’étendent d’immenses réservoirs qui rayonnent leur chaleur dans l’espace.


Le matériau volatile, après s’être évaporé dans la colonne chauffée, vient s’y refroidir et condenser en glace. Le cycle d’évaporation - condensation répété de nombreuses fois permet de séparer les molécules contenant l’hydrogène lourd, le Deutérium qu’il faut accumuler en masse pour alimenter les moteurs de l’Arche.


La matière enrichie est ensuite craquée dans un second temps, en diminuant le débit dans le conduit pour atteindre les hautes température nécessaire à la thermolyse. On recueille à part l’hydrogène enrichi et une molécule résiduelle qui rentrera dans la composition des parois de l’Arche. La transformation du courant gazeux chauffé qui circule dans l’Alambic permet également la production d’électricité.


L'Arche se situe à une orbite quasi-équipotentielle par rapport à l'Alambic et le transfert des matériaux de l'un à l'autre nécessite un deltaV très faible.


Sacrifions Patrocle !

Parmi les astéroïdes qui peuples l'orbite troyenne, on devrais choisir un compromis entre le confort et l'énergie. Le confort, c'est à dire a capacité à travailler en sécurité dessus. Et l'énergie c'est à dire la faiblesse du champs de gravité pour en extraire du matériau.

A titre de cas d'école, prenons Patroclus and Menoetius. Ils forment un système double ce qui offre à mon avis plus d'avantage que d'inconvénient.

Il s'agit de 2 corps de taille sensiblement égale, 60 km de rayon environ, soit une surface de 40 000 km2 et une masse de 6 à 700 000 Gt chaque (la densité est faible 0,8). S'il s'agit de matériau assez proche de la matière cométaire comme on doit s'y attendre, la surface est formé d'un neige peu cohésive et poussiéreuse, formée au 3/4 d'eau.

Le fait de prendre un système double comme celui ci permet de doubler la surface de prospection pour une vitesse de libération minimale (40 m/s). Cette vitesse est faible sans être ridicule et il est assez sécurisant de travailler à la surface d'un corps dont on ne risque pas de s'éjecter à la moindre fausse manœuvre qui communiquerait de la vitesse à ceux qui travaillent à sa surface.

Que ce soit ce couple de Grecs ou un autre Grec ou Troyen, a priori on n'en choisie qu'un seul, dont l'exploitation permet de collecter la totalité de la masse de l'Arche.

Les 20 Gt représente l'extraction d'une couche d'environ 50 m d'épaisseur sur toute la surface d'un des deux corps, ou 25 m répartis sur les deux. On peut également imaginer ouvrir la surface sous forme d'un entonnoir qui s'approche du coeur de l'astéroide si certains matériaux ne sont présent qu'au coeur. On connait très peu de chose de ces petits corps et on ignore notamment s'ils sont homogène. On sait qu'ils sont sans doute peu différenciés ; à quel degré, on l'ignore. Peut être que pour recueillir les 3% de silicium de la masse de l'Arche et quelques menus métaux il sera avantageux de s'approcher du centre.

Mode d'extraction.

Le principe est d'extraire juste la quantité requise pour la désorbiter.

Rapel des besoins et du ratio arche/glaces planétaires

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On voit notamment que l'azote (sous forme d'ammoniac NH3) est une denrée rare et qu'il faut traiter une masse près de 10 fois (taux d'extraction = 1/10e) égale au matériau brut pour extraire le nécessaire.

La mineuse doit permettre prélever et de purifier grossièrement en un seul passage le matériau extrait.

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Enveloppant le tube, une vis de progression joue le rôle d'hélice pour progresser dans le matériau poreux. Non représenté, 2 couples d'ailerons en croisillons situés à l'arrière, ancré sur la case moteur-énergie, permettent l'appui sur la glace et la direction 2 axes de l'engin (en lacet et en profondeur) à la manière d'un gouvernail. A l'avant un vis de pénétration tasse le matériau dans le conduit. La vis d'extraction, découplée de la précédente, tourne à son propre rythme et vient prendre sur le bouchon de glace accumulée dont la densité augmentée assure l'étanchéité. La vis d'extraction est triple corps cad que de chaque coté d'un filet central vide et isolant, on trouve deux filets dans lesquels circulent de la vapeur thermostatée qui chauffe les compartiments individualisés par les tours de vis. L'axe central est poreux aux gaz sublimés et des conduits les acheminent vers l'arrière.

Durée d'extraction.
Il dépend de la vitesse de progression et du nombre d'engins mis en service.
A titre d'exemple, en tentant d'être réaliste au moins par pifométrie, prenons une vitesse de progression de 1 cm/s, 100 engins et un taux d'extraction de 1/10e. Cela nous donne une durée d'extraction de 1 siècle.

Coût énergétique
Pour le coût énergétique, il faut ajouter la sublimation de la glace extraite au transfert orbital. En procédant de telle sorte qu'on ne sublime que la quantité requise, et en comptant 50 kJ/mol (vu que c'est au 3/4 de l'eau), ça donne un total de 6e19 J environ.


Soit au total (0,6 + 1,5)e20 J. Ça représente une consommation de 240 t de Deutérium, et l'équivalent en gros d'une décennie de production énergétique nécessaire à l'entretien des écosystèmes et parois dans l'Arche.


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