Ссылка на Дзен

Подводный крейсер-фабрика: может ли он работать на ресурсах океана?

Идея полностью автономного подводного аппарата, который не просто выполняет боевые задачи, но и сам добывает сырьё, перерабатывает его и печатает дронов, обычно выглядит фантастикой. Но если разобрать концепцию на конкретные технологические блоки, многое оказывается реализуемым уже в обозримом будущем. В этой статье мы пройдёмся по ключевым узлам такого «Кремниевого корабля» и посмотрим, что можно сделать прямо сейчас, а что пока за гранью возможностей.

Глава 1. Энергетика: необслуживаемый реактор на быстрых нейтронах

Любому плавучему заводу нужна энергия, причём в огромных количествах и на годы вперёд. Обычные реакторы с водой под давлением требуют замены топлива и регулярного обслуживания. Альтернатива — реакторы на быстрых нейтронах со свинцово-висмутовым теплоносителем.

Быстрыми называют нейтроны, которые не замедляются специальными веществами (замедлителями) и позволяют реактору работать в замкнутом топливном цикле. На практике это означает, что такой реактор может использовать в качестве топлива не только уран-235, но и уран-238, которого в природе примерно в 140 раз больше, а также нарабатывать новое топливо из отработавшего. Свинцово-висмутовый теплоноситель не кипит при высоких температурах, химически инертен и позволяет создать установку, способную проработать без вмешательства человека весь проектный срок — десятилетия.

В России подобные технологии уже опробованы на подводных лодках проекта 705 (лира), а сегодня элементы быстрых реакторов применяются в проектах малых модульных установок. Именно такая энергосистема может стать сердцем автономного крейсера.

Глава 2. Что можно взять прямо из морской воды

Морская вода — это слабый раствор почти всех элементов таблицы Менделеева. Концентрации многих металлов ничтожны, но для некоторых элементов извлечение оправдано.

Медь и серебро — два металла, которые действительно можно осаждать электролизом прямо из морской воды. Их ионы находятся в ряду напряжений правее водорода — это значит, что при пропускании тока они восстанавливаются на катоде до чистого металла раньше, чем начнётся бурное выделение водорода. Для меди потребуется около 0,34 В, для серебра — 0,8 В. Если прокачивать большие объёмы воды через камеры с развитой поверхностью электродов (например, сетчатых или губчатых), можно получать эти металлы в количествах, достаточных для печати проводящих дорожек и контактов.

Кроме того, электролиз морской воды даёт водород, хлор и гидроксид натрия. Водород — топливо для вспомогательных дронов и топливных элементов. Хлор и щёлочь могут использоваться в технических целях.

Но для конструкционных материалов одной воды мало. Здесь нужны донные ресурсы.

Глава 3. Донная кладовая: графит, кварц, гидраты и сульфиды

Океанское дно во многих районах — готовый источник сырья. Нам понадобятся:

Графит — кристаллический углерод, который встречается в глубоководных отложениях и метаморфических породах. Из очищенного графита можно делать проводящие дорожки, электроды и армирующие компоненты.

Кварцевый песок (SiO₂) — основа для синтеза карбида кремния (SiC). Если смешать песок с углеродом (графитом) и нагреть выше 1600°C в инертной атмосфере, получится материал, по твёрдости близкий к алмазу, лёгкий и абсолютно стойкий к морской воде. Из него можно печатать корпуса дронов, лопатки движителей и оптические элементы.

Газогидраты — твёрдые соединения метана с водой, стабильные при высоком давлении и низкой температуре. Их на дне огромное количество. Добытый метан можно подвергать пиролизу — термическому разложению без доступа кислорода. В результате получаются:

• углеродные нановолокна и нанотрубки (прочнейший лёгкий материал);

• чистый водород (топливо).

Полиметаллические сульфиды (руды «чёрных курильщиков») содержат минералы, которые могут заменить кремниевые полупроводники: галенит (PbS), пирит (FeS₂) и халькопирит (CuFeS₂). Эти минералы обладают полупроводниковыми свойствами без сложной очистки и легирования.

Глава 4. Электроника без кремниевых заводов

Процессоры для смартфонов в подводных условиях не напечатать. Но для дронов-разведчиков, ремонтных роботов и простых систем управления достаточно гораздо более примитивных схем. И здесь как раз пригодятся природные полупроводники.

Галенит (сульфид свинца) — один из первых материалов, на котором ещё в начале XX века делали точечные детекторы радиосигналов. Он меняет сопротивление при облучении светом и может служить фотодиодом или простым выпрямителем.

Пирит (дисульфид железа) обладает подходящей шириной запрещённой зоны для преобразования солнечного света в электричество и рассматривается как дешёвый материал для солнечных элементов. Под водой он может питать небольшие сенсоры.

Халькопирит (медно-железный сульфид) — ещё один доступный полупроводник, который используется в прототипах тонкоплёночных солнечных батарей.

Технология изготовления элементарных схем на таких кристаллах известна: это может быть точечный контакт металлической иглы с поверхностью минерала или простая пайка. Платой служит пластина из плавленого кварца или карбида кремния, на которой с помощью графитовой пасты или осаждённой меди формируются дорожки, а кристаллы вплавляются в нужные точки. Это не заменит микропроцессор, но позволит создать аналоговые системы управления движением, простые сенсоры и детекторы.

Глава 5. Сборка дронов: печать корпусов, проводников и мышц

Корпус — самый понятный этап. Смесь очищенного кварцевого песка и графита превращается в порошок карбида кремния, а затем методом лазерного спекания послойно выращивается в деталь любой формы. Для упрочнения можно добавлять углеродные нановолокна, полученные из метана.

Проводники и контакты наносятся двумя способами: электролитическим осаждением меди или серебра из морской воды, либо трафаретной печатью графитовыми чернилами.

Вместо электромоторов, которые требуют обмоток, магнитов и точной механики, можно использовать пьезоэлектрические актуаторы. Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов (например, кварца) изменять размеры под действием напряжения. Напечатанные пластинки кварца, склеенные в пакет, работают как миниатюрные «мышцы», приводящие в движение плавники или манипуляторы дрона. Они не боятся воды и не имеют трущихся частей.

Глава 6. Что пока недостижимо и где границы реализма

Несмотря на стройность концепции, остаются принципиальные ограничения.

Первое — концентрация. Чтобы добыть 1 кг меди из океанской воды, нужно профильтровать и обработать сотни тысяч тонн воды. Мощности реактора на это хватит, но процесс идёт медленно. Поэтому дроны не будут производиться сотнями в час — скорее, несколько штук в сутки.

Второе — сложная логика. Полупроводниковые кристаллы не способны заменить цифровые процессоры. Если дрону нужна программа полёта с анализом изображения, одних природных минералов недостаточно. Решение — нести на борту запас «семян»: миниатюрных кремниевых чипов с заранее изготовленными транзисторами. Несколько килограммов таких заготовок обеспечат тысячи простых систем управления. Они вплавляются в керамическую плату и соединяются напечатанными дорожками.

Третье — добыча газогидратов и сульфидов. Само по себе извлечение метана из гидратов и подъём руды с глубины требует сложного подводного оборудования — роботизированных манипуляторов, буров и насосов. Но это уже существующие технологии, которые активно применяются в нефтегазовой отрасли.

Заключение

Концепция подводного автономного крейсера, перерабатывающего океанские ресурсы, больше не выглядит абсолютной утопией. При наличии компактного реактора на быстрых нейтронах, технологии 3D-печати керамикой и развитых электролизных установок, можно наладить выпуск простых, но функциональных дронов. Основу сырья дают морская вода, донные минералы и газогидраты. Слабое место — производство сложной электроники, которое решается за счёт запасаемых заранее «семян» микросхем.

Такой корабль не сможет воспроизвести сам себя, но станет плавучим заводом, месяцами и годами выпускающим ремонтные и разведывательные аппараты, — и это инженерная задача уже не следующего столетия, а второй половины текущего.

Ссылка на все посты серии Дневник PY.

Доброго времени суток, товарищи инженеры! Сегодня сразу к делу.

Производство древесины

Имеем следующие расчеты:

Мы хотим производить 6/сек древесины. Для этого в лесопилках необходимо пилить 1.2/сек бревен. Бревна создаются в еще одном новом виде зданий - Лесничествах (большие такие). Чтобы эти здания работали в них нужно вставить модули, в данном случае деревья, по 10 шт. в каждое Лесничество. Это будет частой практикой в разведении животных и выращивании растений, когда в производственные здания нужно будет помещать некие объекты. Мы не говорили об этом ранее, но в теплицах мха также используются модули, собственно сам мох (первый мох можно собрать с камней, с некоторым шансом кроме камня также дается мох). О модулях чуть позже.

Для производства бревен нам нужна вода, пепел и саженцы. С первыми двумя все понятно, давайте рассмотрим саженцы. Они создаются в ботанических садах из семян деревьев, мха и воды. С мхом мы уже разобрались ранее, семена создаются из самой же древесины. Таким образом, мы получили рецепт с положительной обратной связью, когда продукт производится в каком то смысле из себя самого. Такое мы тоже будем встречать нередко и далее, создатели модификации постарались, чтобы мы не смогли обойтись без матричного решателя в hellmod. Таким образом итоговый выход будет 5.8/сек древесины.

Давайте построим этот цех чуть южнее мха.

Сразу же обратим внимание на то, что саженцы гниют и через час превращаются в семена деревьев. Нам нужно учесть это и доставать из каждого ботанического сада потенциально сгнившие саженцы. Далее они попадаю на выходную линию, на которой есть участок, где конвейер останавливается, если на нем есть семена. Эти семена забираются манипулятором и только после этого конвейер опять заработает и пропустит бревна далее. Затем продукт гниения - семена - попадают на конвейер ведущий к ботаническим садам, где создаются саженцы. Стоит отметить, что семена на этот конвейер попадают с приоритетом, основной поток семян останавливается, если появляется сигнал, что нужно пустить на конвейер семена-продукты-гнили (тут тот же трюк, что и ранее - считывается наличие сгнившей продукции, после чего останавливается конвейер с основным потоком семян). Таким образом производство не остановится и не надо заниматься переработкой семян.

Также стоит отметить, что нам не надо подводить никакое топливо для производства семян, ведь древесиной также можно питать твердотопливный аппарат. Таким образом древесина используется и как сырье и как топливо для производства семян.

Вернемся к модулям - деревьям. Они создаются из коробок для плантаторов (делали их для первых колб) и опять саженцев. Для цеха потребовалось произвести 80 модулей, что было просто и тривиально. Главный инженер решил не строить отдельное производство модулей-деревьев, чтобы не разбираться с еще одним местом, где гниют саженцы. Мы обязательно вернемся к этому позже, деревья нам еще понадобятся, хоть это будет и нескоро.

Цех потребляет приемлемые 7 МВт. Мы достаточно долго будет жить на данном количестве древесины, так что эти затраты точно можно считать незначительными.

Условия отказоустойчивости:

• Подается пепел и мох. С пеплом все достаточно просто, 6/сек легко получать стабильно. Еще стабильнее станет после появления разделителей (пепел по всем линиям идет нестабильно). С мхом все сложнее. Для мха необходимы грязный ил (по сути просто вода) и углекислый газ. А углекислый газ у нас на текущий момент получается только при производстве извести (получаемый таким образом объем недостаточен для мха). Мы учли этот момент и скоро разберемся с углекислым газом, чтобы цех мха не останавливался.

• Цех остановится после переполнения конвейера с древесиной. Пока что сложно сказать, устраивает это нас или нет, но нельзя не отметить наличие такого вот рецепта:

Мы можем уничтожать излишки древесины и получать оксид железа, угольный газ, немного пепла и достаточно много смолы! А без уничтожения кокса можно получать его 3.6/сек. Спойлер - в скором времени будет способ получить сразу полную ленту кокса, так что не думаю, что мы уж сильно нуждаемся в этом коксе. В любом случае это интересно. Если мы будем видеть частые простои данного цеха (а сейчас есть запрос только на 1.6/сек древесины для цеха первых колб), может и попробуем найти применение этому рецепту.

Несколько важных вещей

Мы наконец автоматизировали производство древесины! На первые колбы больше нет необходимости носить древесину вручную. Конец эпохи. По ощущениям конец следующей эпохи будет после получения разделителей, а следующей за ней - после получения электрических буров. Древесина уже заведена в цех первых колб, так что ожидается еще более стабильный поток колб.

Местная флора для цеха первых колб начала активно подгнивать прямо на конвейере, из-за чего мы сделали отвод продукта гниения - флорасполлинина - прямо в ТЭЦ1, где он теперь сжигается в пар на одной ленте с угольной пылью. Это на самом деле тоже немаловажный момент.

Кроме того, мы исследовали ВСЕ технологии вплоть до заветных зеленых схем (на самом деле через 8 лабораторий с запасом банок это делается за пару часов), даже особенные виды технологий, так называемые ТУРД. Изучение данных технологий позволяет изменить какой либо процесс производства, притом дается возможность выбрать один из трех или даже четырех вариантов. Все изменения ОЧЕНЬ существенные и важные, за редким исключением. На текущий момент доступны ТУРД для древесины и лунных капель. Обязательно порассуждаем обо всех вариантах этих ТУРД, но в другой раз.

Любопытный факт. На текущий момент исследовано 4.1% от общего числа технологий в игре. Отыграно 25 часов.

Более того, мы зашли по исследованиям и дальше. Заострить внимание хочется на технологии "Резервуары для жидкостей", благодаря который мы теперь, НАКОНЕЦ, можем строить емкости для жидкостей и газов. Часть из данных емкостей мы построить не можем, они требуют дюралюминий. Но некоторую часть, к примеру емкость на 80 кубических метров, можем, для этого нужны только железные и свинцовые плиты.

Но мы планируем по возможности избегать ненужных буферов (буфер нас обманывает, когда создает иллюзию возможности долгой работы), поэтому поставили емкости в одном, но очень важном месте, а именно настроили приоритезацию использования пара на ТЭЦ1. Теперь пар, получаемых от сжигания угольной пыли и флорасполлинина, потребляется в первую очередь. Эх, еще бы выключатель питания для контроля над ветряками, а то они порой выдают слишком много энергии, из-за чего пар почти перестает тратиться.

Это все значимые и очень приятные изменения. А сколько их еще будет!

В следующий раз мы поглядим, чего нам не хватает для постройки зеленых схем. Если грубо, то осталось сделать два крупных проекта: БОЛЬШОЙ топливный цех (это будет очень интересно) и сам цех зеленых схем. И пару проектов поменьше: начать добывать цинк и еще посадоводствовать (живица и лунные капли). Начнем точно с БОЛЬШОГО топливного цеха.

Всем стабильных FPS/UPS. Завод растёт (должен), пар потребляется как надо, инженер не спит.