I STUDENCKA KONFERENCJA GRNICTWA KOSMICZNEGO Techniczne moliwoci wykorzystania

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Techniczne możliwości wykorzystania materiałów wybuchowych do celów cywilnych w przestrzeni kosmicznej inż. Paweł Kłósko mgr inż. Krzysztof Barański Koło Naukowe Górnictwa Odkrywkowego Skalnik Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Plan prezentacji: 1. Materiał wybuchowy i fizyka detonacji 2. Możliwe zastosowanie MW w warunkach pozaziemskich 3. Wymagania stawiane MW 3. 1. Stabilność termiczna 3. 2. Trwałość 3. 3. Pozostałe wymagania 4. Potencjalne MW możliwe do wykorzystania w warunkach pozaziemskich 5. Koncepcyjne metody strzelania 6. Podsumowanie 2

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Materiał wybuchowy (MW) i jego działanie Materiał wybuchowy to związek chemiczny lub ich mieszanina, która w odpowiednich warunkach zdolna jest do egzotermicznej reakcji chemicznej (wybuchu). PRZEBIEG REAKCJI w MW SPALANIE DEFLAGRACJA Prędkość rzędu mm/s Prędkość < 400 m/s EKSPLOZJA Prędkość 400 ÷ 1000 m/s DETONACJA Prędkość > 1000 m/s 3

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Detonacja MW Wybuch w warunkach próżni: 4

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Detonacja MW Wybuch w ośrodku charakteryzującym się gęstością: Efekty strzelania (zagrożenia): • Powietrzna fala uderzeniowa (PFU) • Rozrzut odłamków • Drgania parasejsmiczne 5

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Możliwe zastosowanie MW poza Ziemią Górnictwo Jedna z możliwych metod pozyskiwania surowców Badania geofizyczne Przykład: Aktywny eksperyment sejsmiczny (ASE) – misje Apollo (ALSEP) Prace inżynieryjne Kształtowanie terenu, dekonstrukcja obiektów Zmiana trajektorii lotu obiektów Przykład: Hipotetyczna zmiana toru lotu asteroidy z wykorzystaniem ładunku nuklearnego (PDC 2017) 6

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Cel wykorzystania MW w górnictwie kosmicznym Urabianie z wykorzystaniem materiałów wybuchowych jest najczęściej używaną metodą urabiania w górnictwie Główna zaleta: DUŻA ENERGIA NISKIE KOSZTY 7

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Wymagania stawiane MW • Prawidłowe działanie w ekstremalnych temperaturach; • Prawidłowe działanie w warunkach niskiego ciśnienia; • Odpowiednia trwałość (zdatność do użycia); • Energia porównywalna do TNT; • Odporność na wstrząsy; • Odporność na promieniowanie; 8

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Wymagania stawiane MW Stabilność w ekstremalnych temperaturach Ogólna tendencja: Przykład zakresu temperatur – Mars: • temp. atmosfery (-140°C ÷ +20°C) • temp. gruntu (≈ -90°C) Szacunkowa temperatura pod powierzchnią terenu Marsa 9

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Wymagania stawiane MW Stabilność w ekstremalnych temperaturach Zdolność do pracy w wysokich temperaturach: Heat Resistant Explosives – MW o wysokiej odporności termicznej Niektóre nitrozwiązki wykazują wysoką odporność termiczną i zdolność do pracy przy niskim ciśnieniu Materiał Temperatura topnienia (°C) Prędkość detonacji (km/s) Ciśnienie detonacji (MPa) DATB 286 7, 5 26000 MPa HNS 318 7, 0 21500 MPa TACOT 410 7, 2 24500 MPa Źródło: Urbański T. , Vasudeva S. K. , Heat Resistant Explosives, Instytut Chemii Organicznej, Warszawa 10

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Wymagania stawiane MW Długi okres zdatności do użycia Wymagania stawiane przez NASA (Martin Marietta Corp. ): okres zdatności do użycia do 10 lat Metodyka badań – przyspieszone starzenie próbek MW. Jeśli próbka przetrwała określony czas w danej temperaturze, to czas ten będzie większy k ∈ (2, 7 ÷ 2, 9) razy na każde 10°C mniej. Materiał Ciśnienie parowania P (mm. Hg) Wskaźnik sublimacji G (g/cm 2/s) Spadek masy po 10 latach W (g/cm 3) TNT 5, 62 × 10 -3 2, 68 × 10 -4 8, 45 × 104 RDX 1, 32 × 10 -6 6, 24 × 10 -8 1, 97 × 101 HNS 2, 88 × 10 -14 1, 93 × 10 -15 6, 09 × 10 -7 Źródło: Gorzynski C. S. , Maycock J. N. , Explosives and Pyrotechnic Propellants for Use in Long Term Deep Space Missions, Martin Marietta Corporation, Maryland USA. 11

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Wymagania stawiane MW Inne wymagania • Energia detonacji porównywalna do TNT Edet ≅ 3, 97 MJ/kg • Odporność na zwiększone dawki promieniowania Wartości ok. 100 razy większe niż na Ziemi • Mała wrażliwość na bodźce mechaniczne Bezpieczeństwo w czasie transportu • Bezpieczeństwo i wygoda użycia Preferowana forma nabojowana, duże gęstości 12

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Potencjalne MW możliwe do wykorzystania Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) Eksperyment ASE – Active Seismic Experiment • odpalenie 19 ładunków MW (Apollo 14 & 16) • odpalenie 8 ładunków MW (Apollo 18) • cel: zbadanie wewnętrznej struktury Księżyca zestawem geofonów Emblematy misji Apollo 14 i Apollo 16 źródło: mix. msfc. nasa. gov NASA wraz z Naval Ordnance Laboratory (NOL) wyszczególniła kilka materiałów mogących znaleźć zastosowanie w przestrzeni kosmicznej 13

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Potencjalne MW możliwe do wykorzystania DATB 2, 4, 6 -trinitro-1, 3 -benzenodiamina Vdet=7, 5 km/s Materiał wybuchowy stabilny termicznie i odporny na działanie wysokich temperatur. Stworzony głównie z myślą o zastosowaniu do celów wojskowych (np. rakiety naprowadzane). HNS/Teflon 2, 2’, 4, 4’, 6, 6’ – Heksanitrostilben (90)/Teflon (10) Vdet=7, 0 km/s Materiał wybuchowy opracowany w latach ‘ 60 przez Naval Ordnance Laboratory (NOL). Został zastosowany w trakcie eksperymentów sejsmicznych na powierzchni Księżyca (Misja Apollo 16). LX-04 Oktogen (85)/Viton (15) Vdet=9, 1 km/s LX-04 to materiał wybuchowy polimerowy (PBX) stanowiący połączenie oktogenu z gumą syntetyczną. Materiał ten stosowany był m. in. do konstrukcji bomb jądrowych (W 62, W 70). 14

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Koncepcyjne metody strzelania Strzelanie z wykorzystaniem prądu elektrycznego: (Plasma Blasting Method) Metoda polega na szybkim wyładowaniu zgromadzonej energii elektrycznej w niewielkiej ilości elektrolitu umieszczonego w ośrodku skalnym. Schemat systemu PBM Źródło: United States Patent nr 5. 106. 164 (Plasma Blasting Method) 1992 15

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Koncepcyjne metody strzelania Porównanie strzelania z użyciem chemicznych MW i metody PBM Metoda MW Chemiczne Strzelanie elektryczne (PBM) Działanie Zalety Wybuch chemiczny Metoda szeroko używana egzotermiczna reakcja o dużej prędkości wyzwalająca gazy pod wysokim ciśnieniem Względy ekonomiczne Wykorzystanie przepływu prądu elektrycznego Wyładowanie tworzy niewielkie ilości gazów elektro-hydrauliczne spękanie ośrodka Duże ilości uwalnianej energii Mniejsze stopień oddziaływania na otoczenie Wady Problemy związane z bezpiecznym transportem i przechowywaniem Wysoki koszt Problemy związane ze stabilnością elektrolitów w ekstremalnych warunkach Na podstawie: Satish H. , Exploring Microwave Assisted Rock Breakage For Possible Space Mining Applications, Department of Mechanical Engineering, Mc. Gill University, Quebec, Canada. 16

I STUDENCKA KONFERENCJA GÓRNICTWA KOSMICZNEGO Źródła 1. Bhandari S. , 1997: Engineering Rock Blasting Operations. A. A. Balkema, Rotterdam. 2. Coleburn N. L. , Drimmer B. E. , Liddiard T. P. , 1960: The Detonation Properties of DATB. U. S. Naval Ordnance Laboratory, Maryland USA. 3. Gorzyński C. S. , Maycock J. N. , 1974: Explosives and Pyrotechnic Propellants for Use in Long Term Deep Space Missions. Martin Marietta Corporation, Martin Marietta Laboratories, Maryland USA. 4. Grott M. , Helbert J. , Nadalini R, 2007: Thermal Structure of Martian Soil and the Measurability of the Planetary Heat Flow. Journal of Geophysical Research, vol. 112, E 09004. 5. Heller H. , Bartram A. L. , 1973: HNS/Teflon, a New Heat Resistant Explosives. U. S. Naval Ordnance Laboratory, Maryland USA. 6. Kitzinger F. , Nantel J. , 1992: Plasma Blasting Method. United States Patent no. 5. 106. 164 (21. 04. 1992) 7. Onderka Z. , 1986: Technika Strzelnicza w Górnictwie Odkrywkowym, Część I: Fizyka Detonacji Materiałów Wybuchowych. Skrypty Uczelniane, Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica, Kraków. 8. Owens C. , Nissen A. , Souers P. C. , 2003: LLNL Explosives Reference Guide. UCRL-WEB-145045. 9. Satish H. , Exploring Microwave Assisted Rock Breakage for Possible Space Mining Applications. Department of Mechanical Engineering, Mc. Gill University, Quebec Canada. 10. Urbański T. , 1954: Wstęp do Technologii Materiałów Wybuchowych. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, Warszawa. 11. Urbański T. , Vasudeva S. K. , 1978: Heat Resistant Explosives. Institute of Organic Chemistry and Technology, Warszawa. 17