2Н2O → 2Н2 + O2 (2)
Кислород, полученный таким образом, охлаждается и сохраняется для дальнейших нужд, а водород может быть возвращен в реакцию Сабатье (1).
Электролиз знаком многим из школьного курса химии – ученикам обычно очень нравится этот эксперимент. Такая популярность опыта тем не менее послужила распространению несколько ошибочного представления о том, что ячейка для электролиза – это громоздкая конструкция из стеклянной посуды, расставленной по столу. В действительности электролизеры с модулятором и демодулятором представляют собой чрезвычайно компактные и надежные устройства, состоящие из сжатых слоев пластика, пропитанных электролитом, разделенных металлической сеткой и на каждом конце зафиксированных металлическими колпаками, прикрепленными к металлическим же стержням, проходящим по всей длине ячейки. Такие электролизеры с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) были сильно усовершенствованы для использования на атомных подводных лодках и к настоящему времени проработали более 20 миллионов «устройство-часов». Испытания включали воздействие на ячейки глубинными бомбами и перегрузками до 200 g. Компания «Гамильтон Стандарт» и компания «Лайф Сайенс» разработали легкие модули электролиза для Международной космической станции. Эти устройства вполне подходят для использования на марсианском топливном заводе. Блоки ТПЭ, которые «Гамильтон Стандарт» поставляет ВМФ Британии, по своему уровню выработки продуктов способны удовлетворить нужды в топливе пилотируемой миссии «Марс Директ». Эти блоки уже работали по 28 000 часов без обслуживания, что примерно в четыре раза больше, чем планируемая продолжительность марсианской экспедиции. Для подводных лодок блоки ТПЭ делаются очень тяжелыми – это нужно для балластировки, – для космических полетов они должны быть гораздо легче.
Если весь водород пойдет на производство топлива посредством реакций (1) и (2), то каждый его килограмм, привезенный на Марс, будет преобразован в 12 килограммов двухкомпонентного топлива из метана и кислорода (в соотношении 2:1 соответственно). Сжигание такой смеси обеспечит удельный импульс около 340 секунд. Этот показатель можно было бы назвать хорошим, но оптимальное соотношение кислорода и метана – около 3,5:1, такая пропорция дает удельный импульс в 380 секунд, а массовое отношение водорода к двухкомпонентному топливу в таком случае будет 18:1.
Это наилучший уровень производительности, какого можно достичь для реализации пилотируемой миссии «Марс Директ». Но он требует дополнительного источника кислорода, кроме того, который дают реакции (1) и (2). Одно из возможных решений – прямое восстановление двуокиси углерода:
Эту реакцию можно осуществить, нагрев двуокись углерода примерно до 1100 °C, что приведет к частичной диссоциации газа, после чего произведенный свободный кислород можно будет под напряжением пропустить через циркониевые керамические мембраны и тем самым отделить от остального газа. Использовать эту реакцию для производства кислорода на Марсе впервые предложил доктор Роберт Эш из ЛРД в 1970 году и с тех пор это было и остается предметом исследований как самого Эша (который сейчас работает в Университете Старого Доминиона), так и Кумара Рамохали и К. Р. Шридхар (из Университета штата Аризона). Преимущество данного химического процесса – то, что он полностью отделен от любых других и позволяет произвести неограниченное количество кислорода без какого-либо дополнительного исходного сырья. К недостаткам можно отнести то, что трубки из циркония крошатся и дают небольшой выход продукта, потому для миссии «Марс Директ» их понадобится очень много. Также для этого процесса требуется примерно в пять раз больше энергии, чем при производстве того же объема кислорода с помощью электролиза воды. Недавно исследователи из Университета штата Аризона сообщили, что им удалось увеличить выход реакции, так что ее имеет смысл рассматривать в качестве перспективной, но все еще экспериментальной.
Альтернативой, которая позволит удержать все процессы строго в рамках промышленной химии эпохи газового освещения, будет известная инженерам-химикам реакция конверсии водяного газа, запущенная в обратном порядке: повторное использование некоторого количества водорода (полученного в блоке электролиза) в третьей камере, где он вступит в реакцию с диоксидом углерода в присутствии железно-хромового или медного катализатора. Этот процесс даст на выходе окись углерода и воду:
Реакция (4) слегка эндотермическая, но протекает она при 400 °C, что хорошо укладывается в температурный режим реакции Сабатье. Если проводить реакцию (4) одновременно с (1) и (2), то можно получить смесь с искомым соотношением метана и кислорода, а вся энергия, необходимая для реакции (4), будет добыта из тепла, выделяемого в реакторе Сабатье. Реакцию (4) можно проводить в простой стальной трубе, что делает конструкцию довольно надежной. Недостатком здесь является то, что в интересующем нас температурном интервале реакция (4) имеет константу равновесия всего около 0,1, а это означает, что для поддержания процесса придется запустить конденсатор и мембранный сепаратор, чтобы постоянно удалять из реактора воду и окись углерода, а затем с помощью насоса возвращать в камеру непрореагировавшие водород и диоксид углерода и повторно их использовать. (Вода и СО – это продукты, стоящие в правой части уравнения (4); пока они непрерывно удаляются, реакция сообразно химическим принципам будет течь вправо с образованием воды и СО, чтобы поддерживать соответствующую равновесную концентрацию в реакторе.) Такая система была впервые продемонстрирована мною и Брайаном Фрэнки в «Пионер Астронотикс» в 1997 году, причем с последующими улучшениями нам удалось достичь почти полного превращения диоксида углерода и водорода в СО и воду. При запуске реактора обратной конверсии водяного газа (ОКВГ) параллельно с циклом реакции Сабатье и электролиза можно легко добиться такого соотношения метана и кислорода в топливе, которое будет оптимальным для использования в ходе миссии «Марс Директ».
Более элегантное решение заключается в простом объединении (1) и (4) в одном реакторе следующим образом:
3CO2 + 6 Н2 → СН4 + 2СО + 4 Н2O (5)
Эта слабоэкзотермическая реакция, и если запустить ее вместе с (2), смесь кислорода и метана будет иметь пропорцию 4:1, что даст оптимальное соотношение масс компонентов топлива 18:1, причем кислорода окажется даже больше, чем нужно, – его можно будет использовать как запас для системы жизнеобеспечения. Кроме того, продуктом реакции окажется окись углерода, теоретически пригодная для различных двигателей внутреннего сгорания или топливных элементов. Если учесть весь произведенный запас окиси углерода и кислорода, общее соотношение масс компонентов топлива может достигать 34:1!
В проекте, проведенном для НАСА между 2005 и 2007 годами, «Пионер Астронотикс» продемонстрировала этот цикл в действии с самого начала и до конца с помощью системы, которая брала из емкости газ, близкий по составу к марсианскому «воздуху» и содержащийся под давлением в 8 мбар, сжимала его до 3 бар, применяла сборную реакцию (5) для получения метана, оксида углерода и воды, затем подвергала последнюю электролизу для производства кислорода и водорода (он снова отправлялся в реактор), очищала от СО метан и сжижала его. Было показано, что этот реактор – который начал разрабатывать Тони Мускателло, а завершили Дуве Бруинсма и его коллеги, после того как Тони ушел из «Пионер Астронотикс», чтобы занять пост в Космическом центре имени Кеннеди, – способен производить метан и кислород в любом соотношении, работая при автоматизированном управлении до пяти дней без остановок.
