Karl Bednarik

Sonnenblumen für den Mond

 
 
Die einfachste denkbare sich selbst nachbauende Maschine für den
Mond besteht nur aus Schmelzbasalt, Nickeleisen und Kohlenstoff.
 
Nickeleisen für Spiegel, Magnetspulen und Stromleitungen.
 
Schmelzbasalt für Stützen, Behälter und Isolatoren.
 
Gesinterter Graphit für Schmelztiegel und Gussformen.
 
Nanodiamantschichten für die thermionischen Konverter zur
Stromerzeugung aus Wärme, ohne bewegliche Teile, und ohne
Solarzellen aus hochreinem Silizium.
 
Ein Bild davon sagt mehr als die nun folgenden tausend Worte.
 
(Der Link zum Bild ist in den Anmerkungen zur Kurzgeschichte.)
 
Im Gegensatz zu der "Advanced Automation for Space Missions"
der NASA, die sich durch maximale Kompliziertheit auszeichnet, 
will ich hier ein "self-replicating automated lunar factory
system" entwerfen, das maximal einfach ist.
 
(Der Link zum NASA-Text ist in den Anmerkungen zur Kurzgeschichte.)
 
Wenn sich ein System nur durch den Verbrauch von Sonnenlicht
und Bodenmaterial selbst vermehren kann, dann darf man es
Pflanze nennen.
 
Die irdischen Pflanzen verwenden vorwiegend das Kohlendioxid
aus der Luft, aber auf dem Mond gibt es keine Luft.
 
Ob eine sich selbst nachbauende Maschine, zum Beispiel eine
Roboter-Pflanze, erfolgreich ist, hängt davon ab, ob sie
sich selbst schneller nachbauen kann als sie kaputt geht.
 
Das hängt zum großen Teil von der energetischen
Amortisationszeit der Energie gewinnenden Anlagen ab.
 
Für eine kurze energetische Amortisationszeit ist es immer
günstig, wenn ein technisches System so einfach wie möglich ist.
 
Das wirkt sich auch günstig auf die Zuverlässigkeit des
Systems aus.
 
Die energetische Amortisationszeit von thermischen
Solarkraftwerken beträgt nur etwa 6 Monate, während
Silizium-Solarzellen eine energetische Amortisationszeit
von etwa 60 Monaten haben, weil sie aus viel
hochwertigeren Materialien bestehen.
 
Windkraftanlagen haben sogar eine energetische Amortisationszeit
von nur 4 Monaten, aber auf dem Mond gibt es keinen Wind.
 
Wenn es keine Verluste geben würde, dann würden sich die
sich selbst nachbauenden Maschinen alle 10 energetischen
Amortisationszeiten um den Faktor 1024 vermehren können.
 
Auch auf der Erde wäre eine derartige Maschinen-Pflanze
sehr nützlich, aber auf der Erde wäre ihre Funktion viel
schwieriger aufrecht zu erhalten.
 
Ganz allgemein kann man sagen, dass die Erde lebensfreundlich
ist, und dass der Weltraum technikfreundlich ist.
 
Leben hat eine Vorliebe für Sauerstoff und Wasser, und
die Technik eher nicht.
 
Weil es auf dem Mond weder Sauerstoff noch Wasser oberhalb
seiner Oberfläche gibt, werden dort Metalle aller Art weder
korrodieren, noch bei hohen Temperaturen oxidieren.
 
Bei der Herstellung aller Werkstoffe kann man die Vorteile
der Vakuum-Metallurgie nutzen.
 
Weil es auf dem Mond keine Art von Wetter gibt, scheint die
Sonne völlig ungestört genau einen halben Mond-Tag lang mit
1367 Watt pro Quadratmeter (gemessen quer zur Strahlung),
was für die Energiegewinnung günstig ist.
 
Weil auf dem Mond die Schwerkraft mit 1,62 m/s^2 oder rund
1/6 g viel geringer als auf der Erde ist, kann man viel
Material an den tragenden Elementen einsparen.
 
Obwohl es auf dem Mond keine Staubstürme gibt, so gibt es auf
dem Mond dennoch elektrostatisch schwebenden Mondstaub, der an
sämtlichen Oberflächen anhaften wird, was besonders bei den
Spiegeln sehr störend sein wird.
 
Man kann aber den Mondstaub durch eine starke elektrostatische
Aufladung der metallischen Oberflächen auch wieder weg schleudern,
denn dazu muss der Staub nur die gleiche Ladung annehmen, wie
die Oberflächen.
 
Diese Methode hat sich schon Frederick Gardner Cottrell im
Jahre 1907 patentieren lassen.
 
Luft isoliert nur bis zu etwa 1000 Volt pro Millimeter, aber das
Vakuum auf dem Mond isoliert ganz ohne Isoliermaterial ungefähr
1000 mal besser, was eine Menge Isoliermaterial einspart.
 
Mondstaub und Vakuum sind gute elektrische Isolatoren, so dass
man die Strom führenden Leitungen einfach auf der Mondoberfläche
verlegen kann.
 
Um Ladungen auf die teilweise elektrisch isolierenden Staubteilchen
zu übertragen, kann man Elektronen- oder Ionenstrahlen verwenden, die
man im Hochvakuum des Mondes problemlos erzeugen und verwenden kann.
 
Die Oberfläche des Mondes ist mit einer mehrere Meter dicken Schicht
aus Staub, Sand und Steinen bedeckt, die Mond-Regolith genannt wird.
 
Der Mond-Regolith besteht aus zertrümmertem Mond-Basalt,
und aus den Bruchstücken der verschiedenen Meteoriten.
 
Die Mondkruste ähnelt in ihrer Zusammensetzung der des
irdischen Basalts.
 
Sie besteht aus Aluminiumsilikaten und Kalzium-, Eisen-,
Magnesium- und anderen Metall-Oxiden.
 
Die kohligen Chondrite stellen eine besondere Form der
Steinmeteorite dar.
 
Sie enthalten einen Anteil an Kohlenstoff von bis zu
3 %, der in Form von Graphit und Karbonaten vorliegt.
 
Steinmeteoriten bestehen hauptsächlich aus Pyroxen-, Olivin- und
Plagioklas-Mineralen, also aus den Silikaten der verschiedenen Metalle.
 
94 % aller Meteoriten sind Steinmeteoriten.
 
Die Eisenmeteoriten oder Nickel-Eisenmeteoriten machen etwa
5 % aller Meteoriten aus und bestehen aus einer Legierung
aus Eisen und etwa 5 bis 20 Gewichtsprozent Nickel.
 
Nun haben wir alle Komponenten der sich selbst nachbauenden
Maschinen-Pflanze beisammen, jetzt nur nicht nachlassen.
 
An Stelle komplizierter und energieaufwendiger chemischer
Trennprozesse, steht ein Sonnenspiegel mit einem Schmelztiegel
aus gesintertem Graphit, siehe Bild in den Anmerkungen.
 
Auf diese Weise kann man die Wärme der Sonne ganz ohne
Umwege über die elektrische Energie verwenden.
 
Wenn man den Regolith des Mondes schmilzt und erstarren
lässt, dann erhält man drei Schichten:
 
Unten befindet sich das Nickeleisen, in der Mitte ist
Schmelzbasalt, und an der Oberfläche sind Kohlenstoffpartikel.
 
Dadurch dass der Schmelzbasalt zwischen dem Nickeleisen
und den Kohlenstoffpartikeln liegt, kann sich nur wenig
Kohlenstoff im Nickeleisen lösen.
 
Der Tiegel aus gesintertem Graphit wird vom geschmolzenen
Nickeleisen nur wenig angegriffen, weil er eine viel
kleinere und glattere Grenzfläche zum Nickeleisen hat,
als die Kohlenstoffpartikel hätten.
 
Die Gravitation des Mondes ist bei der Trennung der
Glas- und Metall-Schmelzen sehr nützlich, denn auf
den Planetoiden würde das viel langsamer gehen,
wenn man dort nicht mit einer Zentrifuge arbeitet.
 
Die Dichte von
 
Graphit       beträgt 2,26  Gramm pro Kubikzentimeter,
Schmelzbasalt beträgt 2,85  Gramm pro Kubikzentimeter,
Eisen         beträgt 7,874 Gramm pro Kubikzentimeter,
Nickel        beträgt 8,908 Gramm pro Kubikzentimeter.
 
Der Schmelzpunkt von
 
Basalt beträgt ungefähr 1250 °C,
Eisen           beträgt 1538 °C,
Nickel          beträgt 1455 °C,
Graphit         beträgt 3700 °C.
 
Man könnte auch die beim Erhitzen des Regoliths entweichenden
Gase auffangen, die aus unterschiedlichen Mengen von
Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserdampf, Sauerstoff,
Wasserstoff, und Helium (4 und 3) bestehen werden.
 
Das Helium 3 kann man dann gleich mit dem Gaußkatapult
zur Erde senden, und verkaufen (Schätzing, "Limit"),
falls das dort wirklich jemand benötigen sollte.
 
Im Gegensatz zur Railgun nutzt sich eine Gaußkanone niemals
ab, weil es keine Berührung zwischen Geschoss und Kanone gibt.
 
Außerdem geht bei der Gaußkanone praktisch die gesamte
kinetische Energie auf das Geschoss über, was den
Raketenantrieb alt aussehen lässt.
 
Natürlich hilft dabei auch, dass es auf dem Mond keinen
Luftwiderstand gibt, und dass dort die Fluchtgeschwindigkeit
mit 2380 m/s sehr niedrig ist.
 
Die Bauteile aus Nickeleisen und Schmelzbasalt gießt
man in Gussformen aus gesintertem Graphit.
 
Die Gussformen und Tiegel aus Graphit presst man mit
Nickeleisenformen, und sintert sie dann bei 3500 °C.
 
Diese gegenseitige Abformbarkeit entsteht dadurch, dass
Nickeleisen viel härter als Graphit ist, und dass Graphit
viel höhere Temperaturen aushält als Nickeleisen.
 
Wenn man geschmolzenes Nickeleisen im Hochvakuum des Mondes auf
eine waagrechte Fläche aus Graphit gießt, dann entsteht ganz
von selbst ohne walzen und polieren durch die Gravitation und
durch die Oberflächenspannung ein flacher, glänzender Spiegel, der
niemals rosten wird, und der mechanisch sehr widerstandsfähig ist.
 
Gekrümmte Spiegel kann man leicht durch eine Fresnel-Anordnung
von flachen Spiegeln ersetzen.
 
Man kann nun die vielen kleinen flachen Spiegel gemeinsam
auf eine flache Platte aus Schmelzbasalt montieren, so
dass man alle gemeinsam der Sonne nachschwenken kann.
 
Wenn man die linearen Fresnelspiegel in der Ost-West-Richtung
verlegt, dann muss man sie nicht täglich der Sonne nachschwenken,
sondern nur jährlich an den Sonnenstand anpassen.
 
Das liegt daran, dass sich bei seitlichem Lichteinfall die
reale Brennlinie nur innerhalb der idealen Brennlinie in
Längsrichtung verschiebt.
 
Lineare Fresnelspiegel funktionieren ähnlich wie parabolische
Wannen, sie erzeugen ein lang gestrecktes Brennvolumen das
ungefähr den Durchmesser der Breite der Spiegel hat.
 
Die mit ihnen erzielten Temperaturen von über 500 °C reichen
für die thermionischen Konverter mit Nanodiamantschichten
zur Stromerzeugung aus Wärme völlig aus.
 
Nanodiamantschichten kann man relativ einfach aus Kohlenstoff
herstellen, und sie haben eine negative Affinität für
Elektronen, so dass es schon oberhalb von 350 °C zur
thermionischen Emission von Elektronen kommt.
 
Die elektrische Energie wird vor allem für Elektromagneten,
Elektromotoren, elektrostatische Entstaubung, und auch
später für das Gauß-Katapult benötigt, das verschiedene
Produkte der Roboter-Pflanze billig zur Erde senden kann.
 
Für den Sonnenspiegel mit dem Schmelztiegel aus gesintertem
Graphit ist die Fresnel-Variante eines Rotationsparaboloids
notwendig, um auf mehr als 2000 °C zu kommen.
 
Auch dabei handelt es sich um eine flache Platte aus
Schmelzbasalt auf der viele kleine flache Spiegel
unter verschiedenen Winkeln starr montiert sind,
so dass man sie gemeinsam mit der Platte aus
Schmelzbasalt um zwei Achsen schwenken kann.
 
Diese Fresnel-Parabolspiegel erzeugen ein kugelförmiges
Brennvolumen das ungefähr den Durchmesser der Breite
der Spiegel hat.
 
Die elektrische Leitfähigkeit von
 
Kupfer    beträgt 58.000.000 Siemens pro Meter,
Aluminium beträgt 36.590.000 Siemens pro Meter,
Eisen     beträgt 10.020.000 Siemens pro Meter,
Nickel    beträgt 13.900.000 Siemens pro Meter.
 
Leitungen aus Eisen brauchen also nur 2,4 mal dicker
(Wurzel von 5,8) zu sein als Leitungen aus Kupfer,
um die gleiche elektrische Leitfähigkeit zu haben.
 
Kupfer findet man auf dem Mond aber viel schwieriger
und seltener als Nickeleisen.
 
Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium zu
Nickeleisen verhält sich etwa wie 3 zu 1.
 
Die elektrolytische Gewinnung von Aluminium kostet
aber mehr als die tausendfache Energiemenge, als
das Schmelzen von Nickeleisen.
 
Dazu kämen noch erschwerend der hohe Zeitbedarf und
die technische Kompliziertheit der Elektrolyse.
 
Das Feld einer kernlosen Elektromagnetspule sieht ein
wenig anders aus, wenn ihre Wicklung aus dickem,
ferromagnetischem Material besteht, und nicht aus Kupfer.
 
Wenn man einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten
in geringem Abstand über die Mondoberfläche führt, dann wird
daran eine Menge magnetisches Material haften bleiben.
 
Auf diese Weise kann man zusätzliches Nickeleisen sammeln,
ohne unnötig Regolith schmelzen zu müssen, weil das meiste
Eisen in der Mondkruste als Eisensilikat vorliegt, und
metallisches meteoritisches Nickeleisen relativ selten ist.
 
Platinit ist eine Eisen-Nickel-Legierung mit 46 Prozent
Nickel und 54 Prozent Eisen.
 
Platinit hat den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Glas.
Platinit wird als Einschmelzlegierung für Glas verwendet.
 
Daher kann man auch Nickeleisen und Schmelzbasalt relativ
gut mit einander verschmelzen, vor allem, weil die Apparaturen
auf dem Mond nicht vakuumdicht sein müssen.
 
Die Mikroprozessoren und die Funkfernsteuerung kann man problemlos
von der Erde auf den Mond senden, weil ihre Masse sehr gering ist.
 
Sobald auf dem Mond eine große Anzahl von solchen Roboter-Pflanzen
entstanden ist, kann man elektrische Energie, Schmelzbasalt,
Nickeleisen und Kohlenstoff für andere Projekte abzweigen,
was ja von Anfang an der Sinn der Sache war.
 
Dann ist man ein Roboter-Pflanzen-Fresser.
 
 
 



Ein Bild der Sonnenblume für den Mond:

http://members.chello.at/karl.bednarik/LINEFRES.PNG

Eine kompliziertere Methode wird hier von der NASA beschrieben:

http://www.islandone.org/MMSG/aasm/AASMIndex.html

Ein Solarkraftwerk mit linearen Fresnelspiegeln auf der Erde:

http://www.novatecsolar.com/20-1-Nova-1.html

Ein thermionischer Generator unter Verwendung von Diamant,
der bei 400 °C funktioniert:

http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/thermionic.htm

Wie man die Gasphasenabscheidung einer dünnen Diamantschicht durchführt:

http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/mwpecvd1.htm

Energetische Amortisationszeit:

http://de.wikipedia.org/wiki/Energetische_Amortisation#Energetische_Amortisationszeit

Schmelzbasalt, vorwärts in die Steinzeit:

http://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzbasalt

Ein Video über Cast Basalt:

http://www.abresist.com/videos/AbresistFusedCastBasalt.html

Mondkruste:

http://de.wikipedia.org/wiki/Mond#Chemische_Zusammensetzung_der_Mondkruste

Mondregolith:

http://de.wikipedia.org/wiki/Mond#Regolith

Kohliger Chondrit:

http://de.wikipedia.org/wiki/Kohliger_Chondrit

Steinmeteorit:

http://de.wikipedia.org/wiki/Steinmeteorit

Eisenmeteorit:

http://de.wikipedia.org/wiki/Eisenmeteorit

Platinit:

http://de.wikipedia.org/wiki/Platinit

Gaußkanone:

http://de.wikipedia.org/wiki/Gau%C3%9Fgewehr

Diese Geschichte ist eine Vorgeschichte zu dieser Geschichte:

http://www.e-stories.de/view-kurzgeschichten.phtml?26579


Karl Bednarik, Anmerkung zur Geschichte

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Veröffentlicht auf e-Stories.de am 02.01.2011. - Infos zum Urheberrecht / Haftungsausschluss (Disclaimer).

 

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