第 4.7c 章 - 加工廠
軌道組裝 步驟使用從地球供應的預製元件。此步驟增加了將軌道採礦 步驟中收集的原材料轉換為有用的庫存和用品的能力。這些要麼用於更多組裝，要麼出售給其他人，例如燃料和氧氣出售給其他專案。加工廠將無法生產所需所有物品的 100%。相反，目標是儘可能多地生產，並儘可能減少初始裝置，以減少必須從地球發射的物品數量。
工廠的產出可以按型別和複雜性分為以下幾類。列出的物品預計將需要大量，而且提取難度不高，但需要大量的研究和工程才能確定生產什麼，以及按什麼順序生產。
- 遮蔽和配重 - 這需要對開採的礦石進行最少的加工。由於自然輻射水平、熱變化以及人工反應堆的使用，地球軌道以外的大多數地點都需要遮蔽。一些人工重力和太空電梯設計需要配重。對於這些用途，可能只需要對礦石進行成分和密度的篩選，然後將其裝入容器，或者將其壓縮/燒結成均勻的塊體。提取其他材料後剩下的材料被稱為尾礦或工業礦石提取中的熔渣，可以作為遮蔽材料使用，未加工的庫存也可以用作遮蔽材料。
- 氧氣 - 顯然用於呼吸，但氧化對於其他化學過程也很有用，特別是高推力化學火箭。可以設計電動推進器以氧氣作為燃料執行，從而大大減少給定任務所需的氧氣量。氧氣可以透過各種礦石透過熱焙燒或電解方法生產。
- 水 - 同樣，水對於人類來說顯然有用，也用於棲息地的植物。它還用作儲存 O2 和 H2 推進劑的便捷方式，只需要電解就可以將其分離成組成部分。水也是一種很好的遮蔽材料。它還可以用於適當設計的電動推進器。一些 C 型小行星含有水，只需要適度加熱就可以提取出來。
- 鐵和鋼 - 一種基本的建築材料。約 6% 的隕石，以及據推測相似的近地小行星比例，是金屬的。它們主要由鐵鎳合金組成，鎳佔 5-10%，鈷含量很少。其餘部分是岩石成分。鐵鎳本身應該是一種延展的結構金屬。新增少量碳（不超過 4%）應該可以將其變成合理的鋼或鑄鐵合金。數量更多的 C 型小行星含有碳，因此獲得碳應該不難。
- 其他金屬 - 鎂和矽是小行星岩石部分中的常見元素。它們不是像鐵那樣以天然金屬形式存在，而是以氧化物的形式存在，例如橄欖石礦物。因此，提取金屬需要去除氧氣，這個過程叫做還原。如果為了自身利益從岩石材料中提取氧氣，那麼一些金屬還原將作為副產品發生。其他元素可能以有用的量存在，但這需要更多的探索來確定數量。
- 玻璃 - 用於觀察和棲息地的窗戶，以及需要在封閉空間內集中光線的工業過程。二氧化矽或石英是一種極好的透明材料，矽和氧在小行星岩石材料中含量豐富。幾乎所有碎石都可以透過太陽熔化成玻璃狀黑曜石，由於包含鎂和鐵，它是黑色的，但可以在基礎設施非常少的條件下可靠地建立。
- 纖維 - 纖維以其高抗拉強度而有用，用於電纜或增強。兩種可能由近地小行星資源製成的型別是玻璃纖維，它可以由熔化的岩石製成，以及碳纖維，它可以由 C 型小行星的有機成分製成。
- 土壤和營養 - 儘管水培法可以在沒有土壤的情況下種植東西，但土壤可以兼作輻射遮蔽，因為土壤中的礦物顆粒和水都是有效的遮蔽材料。需要研究和測試才能確定近地小行星來源的土壤是否會成為良好的生長介質，並且不含危險物質。阿波羅計劃進行了一些關於月球土壤的實驗。還需要研究在土壤中新增肥料和營養物質的形式，以及用微生物播種土壤需要什麼，才能形成肥沃的土壤。經過這一切，還需要將基於土壤的植物與水培法和氣培法進行比較，才能獲得對食品生產和有機物迴圈的最佳整體答案。
地球上積累了大量的工業過程經驗，但在太空或其他地點的經驗卻很少。因此，在規劃大型專案之前，應該制定一個合理的開發計劃來獲得必要的經驗。以下示例大約描述了從近地小行星碎石中提取氧氣的實驗程序。
- 透過數學和計算機模型模擬過程
- 使用原型硬體和由類似礦物製成的模擬碎石進行提取演示
- 選擇性地使用地球上的隕石材料進行演示
- 使用原型在地球軌道上使用模擬碎石進行提取演示
- 使用真正的近地小行星開採材料進行提取演示
- 根據原型實驗的經驗，設計生產裝置
地球上使用的許多工業過程都是太空使用的候選者，以及一些可以獨特地在太空進行的候選者。選擇使用的過程需要考慮到太空環境的差異。
- 除非透過旋轉來設計，否則沒有重力
- 可以輕鬆獲得真空和充足的全光譜陽光
- 來自地球的物資和材料的成本相對較高
- 廢熱排放的難度相對較大
地球上許多大型工業和採礦流程，例如球磨和重力分離，都假設存在重力，並且需要大型電機才能在太空中產生等效的離心力。泡沫浮選在礦石選礦中非常普遍，它需要重力和大量的揮發性水。
在太空中，太陽能熱加工可能是最簡單的材料加工起點，因為太陽能反射器不需要任何活動部件。明確的候選者包括從礦石中焙燒揮發物，如氧氣和水。地球上許多高階工業流程使用基於電磁感應或電弧的真空爐，這些加熱機制可以增強或直接替代太陽能熔爐。由於太空真空中可以達到很高的溫度，因此可以透過真空蒸餾進行礦石選礦，依次提取具有越來越高沸點或不同相對揮發性的金屬氧化物，例如二氧化矽（沸點為 3220K）。
直接電解加工也很有前景，使用光伏板中的電子直接驅動化學反應。將水電解成氫氣和氧氣是最簡單的例子，但還有許多其他的可能性。在地球上，電解還原最常見的工業應用是在霍爾-埃魯法中，用氧化鋁生產鋁金屬，並釋放氧氣。鋁只佔大多數小行星的百分之幾，但已經證明了鐵、矽和鎂的直接電解還原，氯化鎂的電解還原主導了陸地工業生產。電解通常在導電液體（例如熔融鹽）中進行；或在固體氧化物（固體氧化物電解或 SOE）中進行，可以是各種電陶瓷，通常是氧化釔穩定氧化鋯 (YSZ)。
為了從礦石中分離元素，人們提出了各種方案。電泳按尺寸分離組成粒子，並通常用於 DNA 分析。卡盧特倫中的電磁同位素分離按質量分離帶電粒子，方法是在接近真空狀態下使原子電離，並使用磁場利用帶電粒子彎曲飛行路徑的質量依賴性。與離子推進器非常相似，此過程僅產生毫安級的離子電流，這是由於空間電荷效應，並且需要高電壓和接近真空狀態。[1]
鐵基路徑
天然鐵在月球上作為小行星撞擊的碎片以及在金屬小行星中都有。因此，值得考慮使用鐵基啟動工廠。在地球上，鐵/鋼顯然是現有經濟的重要組成部分，尤其是在製造產品方面。考慮在啟動工廠中使用金屬廢料作為原材料。這將直接轉化到太空中，例如，在太空中，使用樹木作為木材建築的啟動材料就不會這樣。鐵也存在於氧化礦物中，但這比已經還原的天然金屬需要更多的化學加工。
鐵基路徑將首先關注由鐵/鋼製成的物品。這將包括用於化學加工的結構、罐體和管道、太陽能反射器（帶有鋁塗層）、用於集中光線的電動發電機以及用於製造更多物品的機床。一旦初步生產建立起來，其他型別的產品將逐步新增。
消耗品路徑
這條路徑從提取氧氣和水等消耗品開始。
充分利用路徑
這條路徑從假設你想盡可能多地使用 NEO 啟動材料開始，所以你將包括實現這一目標所需的任何裝置。由於 NEO 的成分因物體而異，你需要知道你要使用哪個物體，或者從不同的 NEO 帶來材料來獲得所需的成分組合。
增長計劃
[edit | edit source]太空工廠的一個基本設計特點是，它不需要像地球上的汽車或電腦顯示器一樣具有單一的固定設計。相反，它可以透過多種方法進化和發展。一種方法是使用新型裝置新增新的處理流程。這將擴充套件它可以生產的輸出範圍。從較少型別的裝置開始，部分原因是成本因素——從一開始就發射所有型別的裝置成本太高，部分原因是所有不同的處理方法不會立即適應太空環境。從長遠來看，將出現啟動時無法獲得的新技術。另一種增長路徑是透過新增更多副本或更大版本的現有裝置型別來擴大規模。隨著更廣泛的輸出範圍和能夠組裝以前開發的物品的能力，工廠綜合體將能夠主要透過內部生產來發展自己，而不是依賴來自地球的交付。
工廠的早期組成部分很可能包括
- 各種用於製造零件的機床
- 用於提取金屬的冶煉爐
- 用於提取液體和氣體的熱煉油廠
- 一些用於遠端控制的機器人，以便在人員到達之前就可以操作並準備物品。
工廠位置
[edit | edit source]太空中的物體本質上是移動的。工業能力不需要停留在單個位置的單個工廠中。隨著處理能力和使用者群的發展，你可以從最初的工廠位置（很可能在地球軌道上）擴充套件到多個位置，每個位置都具有最佳化能力。最終，你會得到一個由採礦站、礦石加工站、裝配站和供應站/棲息地組成的網路，其中一些位置執行多個任務。關於在哪裡放置工業要素，需要回答一些問題。
- 它應該從一個位置開始還是多個位置開始？如果設施複製自身或為不同位置構建專門的單元，它可以隨著時間的推移而拆分。
- 靠近地球的位置可以最大限度地降低從地球那裡運送部分供應和裝置的成本。它還可以透過計算機或人類從地面進行即時控制。另一方面，更高的軌道擁有更多陽光照射，而且從 NEO 運送原材料的 delta 速度更低。那麼，對於給定流程而言，最佳位置是什麼？
- 你可以採用一種策略，從一開始就位於低軌道，當從地球運來的材料更多時，然後隨著 NEO 材料的使用比例更高，移動到更高的軌道。最終，你可能會將加工工廠直接移動到 NEO，只將成品運回來。
電源
[edit | edit source]除活植物外，大多數流程都需要電源。在近地空間，陽光充足，強度比地球上高，因為沒有大氣吸收和天氣，而且在更長的時間內可以獲得。光伏板一直是發電的主要方法，因為它們相對輕便，沒有活動部件，並且可以根據需要製造任何合理的大小。對於非常高的功率水平，面板面積會變得很大，因此成為設計挑戰。如果你有建築材料來源，而且工廠沒有太多移動，那麼可以考慮使用更重的發電機型別，這些發電機使用集中陽光。這包括集中光伏，面板來自地球，用於集中光線的反射器是在當地製造的。
熱源
[edit | edit source]許多工業流程需要高溫。太陽能熔爐可以達到的溫度僅受太陽表面溫度的限制，這足以滿足許多流程。對於少數需要更高溫度的流程，可以使用電驅動裝置。在遮蔽陽光並使物品暴露在 2.7K 的宇宙背景中作為散熱器的情況下，也相當容易達到低溫。
加工廠示例
[edit | edit source]在這個示例中，我們從地球軌道採礦開始，並逐步向外擴充套件。
我們使用從先前建造的組裝站部署的軌道收集器從高層大氣中收集空氣，用於燃料和呼吸供應。
使用上一步獲得的燃料，派遣小型電力拖船收集軌道碎片作為原材料，然後將其送入加工單元。
派遣配備機器人功能的更大拖船，回收燃料耗盡或可以修復的衛星，或者將它們帶回來提取有用的部件。這將發展軌道維護技能，並允許出售修復後的物品。
當收集到足夠的燃料後，將加工廠（或其一部分）移至高軌道位置。在我們的例子中，我們選擇一個週期為 13.66 天的橢圓軌道，以便更容易地進入月球和近地天體軌道。這相當於月球軌道週期的一半。根據軌道週期公式，這使得半長軸為 241,400 公里。我們將高點置於月球平均距離附近，但位置偏移 90 度，因此月球不會顯著改變軌道。然後軌道半徑大約為 132,800 x 350,000 公里。選擇這個軌道是為了方便進入其他地點。要離開近地小行星，航天器將增加速度，以便與月球相遇並獲得引力助推。要將物品送到低軌道，它們會降低速度，直到可以進行氣動減速。要到達月球本身，它們會進行輕微的引力助推，將軌道提升到接近月球，然後使用推進器進入月球軌道。
軌道拖船需要一個抗輻射的太陽能電池陣列才能穿過輻射帶。在該區域之外可以使用輕型陣列。它們摺疊起來並受到輻射保護，以最大限度地提高其後期效能。高軌道站將服務於多個目的：實驗室/研究園區、加工廠以及組裝和維修。