Изготовление топлива на Марсе
К этому моменту вам должно быть очевидно, что возможность добраться до Марса с приемлемыми затратами и начать делать что-то осмысленное, оказавшись там, зависит главным образом от одной ключевой технологии – производства топлива из марсианской атмосферы. Но возможно ли это? Несомненно, да. На самом деле все химические процессы, предусмотренные в программе «Марс Директ», массово используются на Земле на протяжении уже более века.
Первый шаг в производстве топлива – это получение исходных материалов. Так как водород в двухкомпонентной смеси занимает лишь около 5 % от общей массы топлива, его лучше импортировать с Земли. При хорошей многослойной изоляции баков можно добиться, чтобы в месяц выкипало менее 1 % жидкого водорода без какого-либо активного охлаждения (перелет между планетами займет в целом шесть-восемь месяцев). Поскольку водородное сырье не будут сразу подавать в двигатель, его можно загустить до гелеобразного состояния небольшим количеством метана для предотвращения утечек. Это также снизит выкипание (на целых 40 %), подавляя конвекцию внутри резервуара.
Единственные виды сырья, которые потребуются нам на Марсе для производства топлива, – это углерод и кислород, наиболее распространенные элементы в марсианской атмосфере, на 95 % состоящей из углекислого газа. Они будут доступны в любой точке планеты так же свободно, как воздух на Земле. Атмосферное давление, измеренное в двух местах посадки «Викингов», варьируется в течение марсианского года от 7 до 10 мбар (1 бар – это атмосферное давление на Земле на уровне моря, или 14,7 фунта на квадратный дюйм; 10 мбар составляют 1 % от атмосферного давления на Земле на уровне моря), а среднее за год значение 8 мбар наблюдалось на месте посадки «Викинга-1» – в высшей точке долины Хриза. Насосы, способные удерживать газ под таким давлением и сжимать его до пригодного для работы давления в 1 бар или более, впервые были продемонстрированы английским физиком Фрэнсисом Хоксби в 1709 году, а сегодняшние аналоги способны на куда большее. Тем не менее, чтобы сжать диоксид углерода, насос не нужен. Для этого можно использовать всасывающую подстилку вроде губки, впитывающей углекислый газ. Все, что будет нужно сделать, – это взять емкость и засыпать туда либо активированный уголь, либо цеолит, а затем оставить ее ночь в открытом виде на поверхности Марса. При ночных заморозках (-90 °C) подстилка впитает до 20 % диоксида углерода от своего веса. Затем, когда наступит день, нужно нагреть поглощающий слой до 10 °C или близкого значения, и газ начнет выделяться. Таким способом можно получать диоксид углерода под очень высоким давлением, практически не используя подвижных конструкций и ограничившись очень малыми расходами энергии.
Можно использовать отходящее тепло, генерируемое какими-нибудь устройствами, для управления процессом дегазации. В моей лаборатории в «Мартин Мариетта» мы построили такую систему, и она работала очень хорошо.
Теперь, чтобы обеспечить контроль качества во время производства ракетного топлива, нужно убедиться, что в химические реакторы не попадают никакие примеси – речь идет о марсианской пыли. Этого можно добиться, разместив фильтр на входном отверстии емкости или насоса, чтобы удалить большую часть пыли, а затем сжав марсианский «воздух» примерно до 7 бар. Когда углекислый газ доводят до этого давления, а затем оставляют, чтобы его температура сравнялась с температурой окружающей среды, газ конденсируется в жидкость. (Мы не видим жидкой двуокиси углерода на Земле, потому что наше нормальное давление слишком низко для сжижения углекислого газа.) Пыль, которой удалось пройти через фильтры насосов, будет переходить в раствор или оседать на дне бака с CO2, в то время как азот и аргон из марсианской атмосферы останутся газообразными. В такой форме их легко можно будет удалить, чтобы либо вернуть в атмосферу, либо, что еще лучше, сохранить для использования в качестве буферного газа системы жизнеобеспечения. Если затем диоксид углерода испарить из накопительного бака, то он окажется стопроцентно чистым, так как вся пыль останется в осадке. Процессы очистки дистилляцией, работающие на этом принципе, широко используются на Земле, начиная с середины 1700-х годов, когда Бенджамин Франклин продемонстрировал устройство опреснения воды для британского флота.
После получения чистого диоксида углерода дальнейший процесс становится полностью контролируемым и предсказуемым, так как на Марсе нет неизвестных факторов. Если разработать подходящий способ контроля качества, остальная часть процесса химического производства диоксида углерода может быть повторена на Земле при тех же самых условиях, что и на Марсе, такие испытания позволят гарантировать надежность технологии. Лишь отдельные ключевые элементы пилотируемой миссии на Марс (двигатели, аэродинамические чехлы для торможения, парашюты, система жизнеобеспечения, орбитальные стыковки, методы сборки и др.) могут быть протестированы так же тщательно. Это означает, что производство местного топлива вполне реально сделать самым надежным звеном в марсианской миссии, а не наоборот.
После получения диоксида углерода можно быстро провести реакцию метанирования с водородом, привезенным с Земли. Этот химический процесс также называют реакцией Сабатье в честь тщательно изучившего его в 1910-х годах химика.
Реакция Сабатье позволяет получить метан и воду из диоксида углерода и водорода. Записывается она следующим уравнением:
CO2 + 4Н2 → СН4 + 2Н2O (1)
Это экзотермическая реакция – при ее протекании высвобождается тепло, а происходит она спонтанно в присутствии никелевого или рутениевого катализатора (никель дешевле, рутений лучше). Константа равновесия, которая определяет полноту реакции, чрезвычайно сильно стремится сместить ее вправо и дает выход более 99 % уже при одном обычном запуске реактора. Реакция Сабатье широко используется в промышленности в течение примерно ста лет, а кроме того, она была изучена НАСА, ВВС США и их подрядчиками для возможного использования в системах жизнеобеспечения на МКС и в проекте «Пилотируемой орбитальной лаборатории». Компания «Гамильтон Стандарт» (сегодня это UTC Aerospace Systems), например, в 1980 году разработала реактор Сабатье для использования на МКС и подвергла его примерно 4200 часам квалификационных испытаний.
Тот факт, что реакция Сабатье является экзотермической, не означает, что для ее протекания не требуется энергия. Использующиеся реакторы представляют собой простые стальные трубы, прочные и компактные, содержащие слой катализатора. Я полагаю, ориентируясь на результаты, полученные в лабораторных испытаниях в «Мартин Мариетта» и «Пионер Астронотикс», что модуль для производства всего объема метана, необходимого для миссии «Марс Директ», должен состоять из всего трех реакторов Сабатье, каждый длиной 1 метр и 12 сантиметров в диаметре.
Во время протекания реакции (1) производимый метан сжижается либо при контакте с потоком сверххолодного водорода, либо (после того как жидкий водород будет исчерпан) с помощью механического холодильника. (Метан находится в жидком состоянии примерно при такой же относительно небольшой температуре, как и жидкий кислород.) Вода, производящаяся в процессе, конденсируется и переносится в бак, после чего закачивается в специальный отсек и подвергается известной реакции электролиза, при которой под действием электрического тока расщепляется на водород и кислород:
