第 4.7c 章 - 加工厂
轨道组装 步骤使用从地球供应的预制组件。此步骤增加了将轨道采矿 步骤中收集的原材料转换为有用的库存和用品的能力。这些要么用于更多组装，要么出售给其他人，例如燃料和氧气出售给其他项目。加工厂将无法生产所需所有物品的 100%。相反，目标是尽可能多地生产，并尽可能减少初始设备，以减少必须从地球发射的物品数量。
工厂的产出可以按类型和复杂性分为以下几类。列出的物品预计将需要大量，而且提取难度不高，但需要大量的研究和工程才能确定生产什么，以及按什么顺序生产。
- 屏蔽和配重 - 这需要对开采的矿石进行最少的加工。由于自然辐射水平、热变化以及人工反应堆的使用，地球轨道以外的大多数地点都需要屏蔽。一些人工重力和太空电梯设计需要配重。对于这些用途，可能只需要对矿石进行成分和密度的筛选，然后将其装入容器，或者将其压缩/烧结成均匀的块体。提取其他材料后剩下的材料被称为尾矿或工业矿石提取中的熔渣，可以作为屏蔽材料使用，未加工的库存也可以用作屏蔽材料。
- 氧气 - 显然用于呼吸，但氧化对于其他化学过程也很有用，特别是高推力化学火箭。可以设计电动推进器以氧气作为燃料运行，从而大大减少给定任务所需的氧气量。氧气可以通过各种矿石通过热焙烧或电解方法生产。
- 水 - 同样，水对于人类来说显然有用，也用于栖息地的植物。它还用作储存 O2 和 H2 推进剂的便捷方式，只需要电解就可以将其分离成组成部分。水也是一种很好的屏蔽材料。它还可以用于适当设计的电动推进器。一些 C 型小行星含有水，只需要适度加热就可以提取出来。
- 铁和钢 - 一种基本的建筑材料。约 6% 的陨石，以及据推测相似的近地小行星比例，是金属的。它们主要由铁镍合金组成，镍占 5-10%，钴含量很少。其余部分是岩石成分。铁镍本身应该是一种延展的结构金属。添加少量碳（不超过 4%）应该可以将其变成合理的钢或铸铁合金。数量更多的 C 型小行星含有碳，因此获得碳应该不难。
- 其他金属 - 镁和硅是小行星岩石部分中的常见元素。它们不是像铁那样以天然金属形式存在，而是以氧化物的形式存在，例如橄榄石矿物。因此，提取金属需要去除氧气，这个过程叫做还原。如果为了自身利益从岩石材料中提取氧气，那么一些金属还原将作为副产品发生。其他元素可能以有用的量存在，但这需要更多的探索来确定数量。
- 玻璃 - 用于观察和栖息地的窗户，以及需要在封闭空间内集中光线的工业过程。二氧化硅或石英是一种极好的透明材料，硅和氧在小行星岩石材料中含量丰富。几乎所有碎石都可以通过太阳熔化成玻璃状黑曜石，由于包含镁和铁，它是黑色的，但可以在基础设施非常少的条件下可靠地创建。
- 纤维 - 纤维以其高抗拉强度而有用，用于电缆或增强。两种可能由近地小行星资源制成的类型是玻璃纤维，它可以由熔化的岩石制成，以及碳纤维，它可以由 C 型小行星的有机成分制成。
- 土壤和营养 - 尽管水培法可以在没有土壤的情况下种植东西，但土壤可以兼作辐射屏蔽，因为土壤中的矿物颗粒和水都是有效的屏蔽材料。需要研究和测试才能确定近地小行星来源的土壤是否会成为良好的生长介质，并且不含危险物质。阿波罗计划进行了一些关于月球土壤的实验。还需要研究在土壤中添加肥料和营养物质的形式，以及用微生物播种土壤需要什么，才能形成肥沃的土壤。经过这一切，还需要将基于土壤的植物与水培法和气培法进行比较，才能获得对食品生产和有机物循环的最佳整体答案。
地球上积累了大量的工业过程经验，但在太空或其他地点的经验却很少。因此，在规划大型项目之前，应该制定一个合理的开发计划来获得必要的经验。以下示例大约描述了从近地小行星碎石中提取氧气的实验进程。
- 通过数学和计算机模型模拟过程
- 使用原型硬件和由类似矿物制成的模拟碎石进行提取演示
- 选择性地使用地球上的陨石材料进行演示
- 使用原型在地球轨道上使用模拟碎石进行提取演示
- 使用真正的近地小行星开采材料进行提取演示
- 根据原型实验的经验，设计生产设备
地球上使用的许多工业过程都是太空使用的候选者，以及一些可以独特地在太空进行的候选者。选择使用的过程需要考虑到太空环境的差异。
- 除非通过旋转来设计，否则没有重力
- 可以轻松获得真空和充足的全光谱阳光
- 来自地球的物资和材料的成本相对较高
- 废热排放的难度相对较大
地球上许多大型工业和采矿流程，例如球磨和重力分离，都假设存在重力，并且需要大型电机才能在太空中产生等效的离心力。泡沫浮选在矿石选矿中非常普遍，它需要重力和大量的挥发性水。
在太空中，太阳能热加工可能是最简单的材料加工起点，因为太阳能反射器不需要任何活动部件。明确的候选者包括从矿石中焙烧挥发物，如氧气和水。地球上许多高端工业流程使用基于电磁感应或电弧的真空炉，这些加热机制可以增强或直接替代太阳能熔炉。由于太空真空中可以达到很高的温度，因此可以通过真空蒸馏进行矿石选矿，依次提取具有越来越高沸点或不同相对挥发性的金属氧化物，例如二氧化硅（沸点为 3220K）。
直接电解加工也很有前景，使用光伏板中的电子直接驱动化学反应。将水电解成氢气和氧气是最简单的例子，但还有许多其他的可能性。在地球上，电解还原最常见的工业应用是在霍尔-埃鲁法中，用氧化铝生产铝金属，并释放氧气。铝只占大多数小行星的百分之几，但已经证明了铁、硅和镁的直接电解还原，氯化镁的电解还原主导了陆地工业生产。电解通常在导电液体（例如熔融盐）中进行；或在固体氧化物（固体氧化物电解或 SOE）中进行，可以是各种电陶瓷，通常是氧化钇稳定氧化锆 (YSZ)。
为了从矿石中分离元素，人们提出了各种方案。电泳按尺寸分离组成粒子，并通常用于 DNA 分析。卡卢特伦中的电磁同位素分离按质量分离带电粒子，方法是在接近真空状态下使原子电离，并使用磁场利用带电粒子弯曲飞行路径的质量依赖性。与离子推进器非常相似，此过程仅产生毫安级的离子电流，这是由于空间电荷效应，并且需要高电压和接近真空状态。[1]
铁基路径
天然铁在月球上作为小行星撞击的碎片以及在金属小行星中都有。因此，值得考虑使用铁基启动工厂。在地球上，铁/钢显然是现有经济的重要组成部分，尤其是在制造产品方面。考虑在启动工厂中使用金属废料作为原材料。这将直接转化到太空中，例如，在太空中，使用树木作为木材建筑的启动材料就不会这样。铁也存在于氧化矿物中，但这比已经还原的天然金属需要更多的化学加工。
铁基路径将首先关注由铁/钢制成的物品。这将包括用于化学加工的结构、罐体和管道、太阳能反射器（带有铝涂层）、用于集中光线的电动发电机以及用于制造更多物品的机床。一旦初步生产建立起来，其他类型的产品将逐步添加。
消耗品路径
这条路径从提取氧气和水等消耗品开始。
充分利用路径
这条路径从假设你想尽可能多地使用 NEO 启动材料开始，所以你将包括实现这一目标所需的任何设备。由于 NEO 的成分因物体而异，你需要知道你要使用哪个物体，或者从不同的 NEO 带来材料来获得所需的成分组合。
增长计划
[edit | edit source]太空工厂的一个基本设计特点是，它不需要像地球上的汽车或电脑显示器一样具有单一的固定设计。相反，它可以通过多种方法进化和发展。一种方法是使用新型设备添加新的处理流程。这将扩展它可以生产的输出范围。从较少类型的设备开始，部分原因是成本因素——从一开始就发射所有类型的设备成本太高，部分原因是所有不同的处理方法不会立即适应太空环境。从长远来看，将出现启动时无法获得的新技术。另一种增长路径是通过添加更多副本或更大版本的现有设备类型来扩大规模。随着更广泛的输出范围和能够组装以前开发的物品的能力，工厂综合体将能够主要通过内部生产来发展自己，而不是依赖来自地球的交付。
工厂的早期组成部分很可能包括
- 各种用于制造零件的机床
- 用于提取金属的冶炼炉
- 用于提取液体和气体的热炼油厂
- 一些用于远程控制的机器人，以便在人员到达之前就可以操作并准备物品。
工厂位置
[edit | edit source]太空中的物体本质上是移动的。工业能力不需要停留在单个位置的单个工厂中。随着处理能力和用户群的发展，你可以从最初的工厂位置（很可能在地球轨道上）扩展到多个位置，每个位置都具有优化能力。最终，你会得到一个由采矿站、矿石加工站、装配站和供应站/栖息地组成的网络，其中一些位置执行多个任务。关于在哪里放置工业要素，需要回答一些问题。
- 它应该从一个位置开始还是多个位置开始？如果设施复制自身或为不同位置构建专门的单元，它可以随着时间的推移而拆分。
- 靠近地球的位置可以最大限度地降低从地球那里运送部分供应和设备的成本。它还可以通过计算机或人类从地面进行实时控制。另一方面，更高的轨道拥有更多阳光照射，而且从 NEO 运送原材料的 delta 速度更低。那么，对于给定流程而言，最佳位置是什么？
- 你可以采用一种策略，从一开始就位于低轨道，当从地球运来的材料更多时，然后随着 NEO 材料的使用比例更高，移动到更高的轨道。最终，你可能会将加工工厂直接移动到 NEO，只将成品运回来。
电源
[edit | edit source]除活植物外，大多数流程都需要电源。在近地空间，阳光充足，强度比地球上高，因为没有大气吸收和天气，而且在更长的时间内可以获得。光伏板一直是发电的主要方法，因为它们相对轻便，没有活动部件，并且可以根据需要制造任何合理的大小。对于非常高的功率水平，面板面积会变得很大，因此成为设计挑战。如果你有建筑材料来源，而且工厂没有太多移动，那么可以考虑使用更重的发电机类型，这些发电机使用集中阳光。这包括集中光伏，面板来自地球，用于集中光线的反射器是在当地制造的。
热源
[edit | edit source]许多工业流程需要高温。太阳能熔炉可以达到的温度仅受太阳表面温度的限制，这足以满足许多流程。对于少数需要更高温度的流程，可以使用电驱动设备。在屏蔽阳光并使物品暴露在 2.7K 的宇宙背景中作为散热器的情况下，也相当容易达到低温。
加工厂示例
[edit | edit source]在这个示例中，我们从地球轨道采矿开始，并逐步向外扩展。
我们使用从先前建造的组装站部署的轨道收集器从高层大气中收集空气，用于燃料和呼吸供应。
使用上一步获得的燃料，派遣小型电力拖船收集轨道碎片作为原材料，然后将其送入加工单元。
派遣配备机器人功能的更大拖船，回收燃料耗尽或可以修复的卫星，或者将它们带回来提取有用的部件。这将发展轨道维护技能，并允许出售修复后的物品。
当收集到足够的燃料后，将加工厂（或其一部分）移至高轨道位置。在我们的例子中，我们选择一个周期为 13.66 天的椭圆轨道，以便更容易地进入月球和近地天体轨道。这相当于月球轨道周期的一半。根据轨道周期公式，这使得半长轴为 241,400 公里。我们将高点置于月球平均距离附近，但位置偏移 90 度，因此月球不会显着改变轨道。然后轨道半径大约为 132,800 x 350,000 公里。选择这个轨道是为了方便进入其他地点。要离开近地小行星，航天器将增加速度，以便与月球相遇并获得引力助推。要将物品送到低轨道，它们会降低速度，直到可以进行气动减速。要到达月球本身，它们会进行轻微的引力助推，将轨道提升到接近月球，然后使用推进器进入月球轨道。
轨道拖船需要一个抗辐射的太阳能电池阵列才能穿过辐射带。在该区域之外可以使用轻型阵列。它们折叠起来并受到辐射保护，以最大限度地提高其后期性能。高轨道站将服务于多个目的：实验室/研究园区、加工厂以及组装和维修。