home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1993 #1 / NN_1993_1.iso / spool / sci / space / 18907 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-01-07  |  8.4 KB

  1. Xref: sparky sci.space:18907 alt.sci.planetary:476 sci.chem:5691 sci.engr.chem:656
  2. Newsgroups: sci.space,alt.sci.planetary,sci.chem,sci.engr.chem
  3. Path: sparky!uunet!techbook!szabo
  4. From: szabo@techbook.com (Nick Szabo)
  5. Subject: Microreactors for processing native materials
  6. Message-ID: <C0HG12.Mw3@techbook.com>
  7. Organization: TECHbooks --- Public Access UNIX --- (503) 220-0636
  8. Date: Thu, 7 Jan 1993 12:00:33 GMT
  9. Lines: 157
  10.  
  11. Using materials native to space, instead of hauling everything
  12. from Earth, is crucial to future efforts at large-scale space
  13. industrialization and colonization.  At that time we will be
  14. using technologies far in advance of today's, but even now
  15. we can see the technology developing for use here on earth.
  16.  
  17. There are a myriad of materials we would like to process,
  18. including dirty organic-laden ice on comets and some asteroids,
  19. subsurface ice and the atmosphere of Mars, platinum-rich
  20. unoxidized nickel-iron metal regoliths on asteroids, etc.
  21. There are an even wider array of materials we would like to
  22. make. The first and most important is propellant, but
  23. eventually we want a wide array of manufacturing and 
  24. construction inputs, including complex polymers like Kevlar 
  25. and graphite epoxies for strong tethers.
  26.  
  27. The advantages of native propellant can be seen in two
  28. recent mission proposals.  In several Mars mission proposals
  29. [1], H2 from Earth or Martian water is chemically processed 
  30. with CO2 from the Martian atmosphere, making CH4 and O2 
  31. propellants for operations on Mars and the return trip to Earth.  
  32. Even bringing H2 from Earth, this scheme can reduce the propellant
  33. mass to be launched from Earth by over 75%.  Similarly, I
  34. have described a system that converts cometary or asteroidal 
  35. ice into a cylindrical, zero-tank-mass thermal rocket.
  36. This can be used to transport large interplanetary payloads,
  37. including the valuable organic and volatile ices themselves
  38. into high Earth and Martian orbits.
  39.  
  40. Earthside chemical plants are usually far too heavy to launch 
  41. on rockets into deep space.  An important benchmarks for plants
  42. in space is the thruput mass/equipment mass, or mass thruput 
  43. ratio (MTR).  At first glance, it would seem that almost any system 
  44. with MTR>1 would be worthwhile, but in real projects risk must be 
  45. reduced through redundancy, time cost of money must be accounted for,
  46. equipment launched from earth must be affordable in the first
  47. place (typically <$5 billion) and must be amortized, and
  48. propellant burned must be accounted for.  For deep-space 
  49. missions, system MTRs typically need to be in the 100-10,000 
  50. per year range to be economical.  
  51.  
  52. A special consideration is the operation of chemical reactors
  53. in microgravity.  So far all chemical reactors used in 
  54. space -- mostly rocket engines, and various kinds of life
  55. support equipment in space stations -- have been designed
  56. for microgravity.  However, Earthside chemical plants incorporate 
  57. many processes that use gravity, and must be redesigned.
  58. Microgravity may be advantageous for some kinds of reactions;
  59. this is an active area of research.  On moons or other plants, 
  60. we are confronted with various fixed low levels of gravity 
  61. that may be difficult to design for.  With a spinning tethered
  62. satellite in free space, we can get the best of all worlds:
  63. microgravity, Earth gravity, or even hypergravity where desired.
  64.  
  65. A bigger challenge is developing chemical reactors that
  66. are small enough to launch on rockets, have high enough
  67. thruput to be affordable, and are flexible enough to
  68. produce the wide variety of products needed for space
  69. industry.  A long-range ideal strategy is K. Eric 
  70. Drexler's nanotechnology [2].  In this scenario small 
  71. "techno-ribosomes", designed and built molecule by molecule, 
  72. would use organic material in space to reproduce themselves 
  73. and produce useful product.  An intermediate technology, under 
  74. experimental research today, uses lithography techniques
  75. on the nanometer scale to produce designer catalysts and 
  76. microreactors.
  77.  
  78. Lithography, the technique which has made possible the rapid
  79. improvement in computers since 1970, has moved into the deep 
  80. submicron scale in the laboratory, and will soon be moving
  81. there commercially.  Lab research is also applying lithography 
  82. to the chemical industry, where it might enable breakthroughs to 
  83. rival those it produced in electronics.
  84.  
  85. Tim May has described nanolithography that uses linear arrays of 
  86. 1e4-1e5 AFM's that would scan a chip and fill in detail to 10 nm 
  87. resolution or better.  Elsewhere I have described a class
  88. of self-organizing molecules called _nanoresists_, which make
  89. possible the use of e-beams down to the 1 nm scale.  Nanoresists
  90. range from ablatable films, to polymers, to biological
  91. structures.  A wide variety of other nanolithography techniques
  92. are described in [4,5,6].
  93.  
  94. Small-scale lithography not only improves the feature density of
  95. existing devices, it also makes possible a wide variety of new 
  96. devices that take advantage of quantum effects: glowing nanopore 
  97. silicon, quantum dots ("designer atoms" with programmable
  98. electronic and optical properties), tunneling magnets, squeezed
  99. lasers, etc.  Most important for our purposes, they make possible
  100. to mass production of tiny chemical reactors and designer catalysts.
  101.  
  102. Lithography has been used to fabricate a series of catalytic
  103. towers on a chip [3]. The towers consist of alternating 
  104. layers of SiO2 4.1 nm thick and Ni 2-10 nm thick.  The deposition 
  105. process achieves nearly one atom thickness control for both SiO2 and Ni.
  106.  
  107. Previously it was thought that positioning in three dimensions
  108. was required for good catalysis, but this catalyst's nanoscale 1-d 
  109. surface force reagants into the proper binding pattern.  It
  110. achieved six times the reaction rate of traditional cluster catalysts 
  111. on the hydrogenolysis of ethane to methane, C2H6 + H2 --> 2CH4.
  112. The thickness of the nickel and silicon dioxide layers can be varied 
  113. to match the size of molecules to be reacted.
  114.  
  115. Catalysts need to have structures precisely designed 
  116. to trap certain kinds of molecules, let others flow through, 
  117. and keep still others out, all without getting clogged or 
  118. poisoned.  Currently these catalysts are built by growing 
  119. crystals of the right spacing in bulk.  Sometimes catalysts
  120. come from biotech, for example the bacteria used to grow
  121. the corn syrup in soda pop.  Within this millenium (only 7.1
  122. years left!) we will start to see catalysts built by new 
  123. techniques of nanolithography, including AFM machining, 
  124. AFM arrays and nanoresists Catalysts are critical to the oil industry, 
  125. the chemical industry and to pollution control -- the worldwide 
  126. market is in the $100's of billions per year and growing rapidly.
  127.  
  128. There is a also big market for micron-size chemical reactors.  
  129. We may one day see the flexible chemical plant, with hundreds of
  130. nanoscale reactors on a chip, the channels between them 
  131. reprogrammed via switchable valves, much as the circuits
  132. on a chip can be reprogrammed via transitors.  Even a
  133. more modest, large version of such a plant could have a
  134. wide variety of uses.
  135.  
  136. Their first use may be in artificial organs to produce 
  137. various biological molecules.  For example, they might replace or 
  138. augment the functionality of the kidneys, pancreas, liver, thyroid 
  139. gland, etc. They might produce psychoactive chemicals inside the
  140. blood-brain barrier, for example dopamine to reverse Parkinson's
  141. disease.  Biological and mechanical chemical reactors might
  142. work together, the first produced via metaboic engineering[7],
  143. the second via nanolithography.
  144.  
  145. After microreactors, metabolic engineering, and nanoscale catalysts
  146. have been developed for use on Earth, they will spin off for use in 
  147. space.  Microplants in space could manufacture propellant, a wide variety 
  148. of industrial inputs and perform life support functions more efficiently.  
  149. Over 95% of the mass we now launch into space could be replaced by these 
  150. materials produced from comets, asteroids, Mars, etc.  Even if Drexler's 
  151. self-replicating assemblers are a long time in coming, nanolithographed 
  152. tiny chemical reactors could open up the solar system.
  153.  
  154. ====================
  155. ref:
  156. [1] _Case for Mars_ conference proceedings, Zubrin et. al.
  157.     papers on "Mars Direct"
  158. [2] K. Eric Drexler, _Nanosystems_, John Wiley & Sons 1992
  159. [3] Science 20 Nov. 1992, pg. 1337.  
  160. [4] Ferry et. al. eds., _Granular Nanoelectronics_, Plenum Press 1991
  161. [5] Geis & Angus, "Diamond Film Semiconductors", Sci. Am. 10/92
  162. [6] ???, "Quantum Dots", Sci. Am. 1/93
  163. [7] Science 21 June 1991, pgs. 1668, 1675.
  164.  
  165.  
  166. -- 
  167. Nick Szabo                     szabo@techboook.com
  168.