Производство пластмассы
Как заметил друг семьи персонажа, которого играл Дастин Хоффман в фильме «Выпускник», главные вещи в современной жизни сделаны из пластмассы. Окружи себя пластмассой – и твое будущее гарантировано, мой мальчик! Что ж, поскольку Марс, как и Земля, обладает огромными запасами природного углерода и водорода, возможностей окружить себя пластиком там тоже предостаточно.
Ключ к производству пластмасс на Марсе – синтез этилена, который сам по себе может быть произведен в расширении реакции обратной конверсии водяного газа (ОКВГ), рассмотренной в главе 6 в качестве средства для получения кислорода.
Мы можем использовать эту реакцию для получения всего того объема кислорода, который только понадобится нам на Марсе, соединяя марсианский атмосферный диоксид углерода с водородом, избавляясь от монооксида углерода, подвергая полученную воду электролизу а затем запасая кислород. Водород мы будем использовать повторно, чтобы получить еще больше воды и, соответственно, больше кислорода. Впрочем, можно поступить несколько иначе. Если использовать водород и диоксид углерода не в соотношении 1:1, как это сделано в уравнении (1), а в соотношении 3:1, мы получим вот что:
6Н2 + 2CO2 → 2Н2O + 2СО + 4Н2 (2)
(Да, я знаю, что мог бы разделить все части уравнения (2) пополам, и все было бы точно так же, но потерпите немного.) Далее следует взять воду, произведенную с помощью уравнения (2), и конденсировать. Может, мы подвергнем ее электролизу, может, не подвергнем – это зависит от того, что нам нужнее, собственно вода или водород и кислород по отдельности. Куда важнее то, что мы сделаем с прочими продуктами, после того как избавимся от воды. Если мы захотим, то направим оставшуюся смесь окиси углерода и водород в другой реактор, где в присутствии катализатора с железной основой они прореагируют следующим образом:
2СО + 4Н2 → С2Н4 + 2Н2O (3)
Ура! С2Н4 – это этилен, отличное топливо и ключ к нефтехимической и пластмассовой промышленности. Реакция (3) весьма экзотермическая и, как и производящая метан реакция Сабатье (см. главу 6), может быть использована в качестве источника тепла для эндотермической реакции ОКВЕ. Также она имеет высокую константу равновесия, что делает возможным получение большого выхода этилена. Однако обычно протекают и побочные реакции, результатом которых становится пропилен (С3Н6) – тоже отличное топливо и ценное сырье для производства пластмассы. А вот высшие углеводороды вроде парафина, производящиеся в процессе побочных реакций, – уже не так хорошо, поскольку они могут вызывать проблемы, если не удалять их из продукта. Хотя эта система и более сложная, она имеет важные преимущества над простой реакцией Сабатье.
Во-первых, этилен включает только два атома водорода на один атом углерод, в то время как метан – четыре. Таким образом, если использовать этилен в качестве топлива вместо метана, понадобится завозить с Земли вдвое меньше водорода или добывать в два раза меньше воды.
Во-вторых, точка кипения этилена (при давлении в одну атмосферу) -104 °C, что значительно выше, чем у метана (-183 °C). При давлении в несколько атмосфер этилен можно хранить без охлаждения при средних температурах окружающей среды, тогда как критическая для метана температура ниже тех, что обычно бывают по ночам на Красной планете. Потому этилен можно сжижать на Марсе без использования криогенного оборудования, тогда как метан – нельзя. Это сокращает энергию, необходимую на охлаждение системы для производства топлива на этилене и кислороде, примерно вдвое относительно энергозатрат на охлаждение системы для производства метан-кислородной смеси. Также это значительно устраняет необходимость изолировать топливные баки и делает работу с полученной смесью во всех отношениях проще.
В-третьих, плотность жидкого этилена на 50 % больше, чем плотность жидкого метана, что позволяет использовать более компактные и потому более легкие топливные баки для марсианского взлетного модуля или роверов для поверхности Марса. В-четвертых, этилен может применяться не только как топливо или для сварки. Он используется в качестве обезболивающего, как агент для созревания фруктов и как средство сокращения времени покоя для семян. Все эти особенности будут очень полезны для создания базы на Марсе. Но как бы чудесно ни звучало сказанное, это ерунда по сравнению с главным назначением этилена и пропилена: изготовлением полиэтилена, полипропилена, а также множества других видов пластика. Из этих материалов можно делать пленку или ткань для создания больших надувных конструкций (в том числе жилых куполов), а также для производства одежды, сумок, изоляции, шин и др. Пластмассы могут быть очень плотными и твердыми, пригодными для изготовления емкостей – как маленьких, так и огромных, – посуды, инструментов, инвентаря, медицинского оборудования и бесчисленного множества других небольших, но необходимых объектов, а также жестких конструкций любого размера и формы, прозрачных и непрозрачных. На основе пластиков могут быть изготовлены смазки, герметики, клеи, ленты – список почти безграничен. Развитие производства пластмасс на основе этилена на Марсе, таким образом, откроет широчайшие перспективы для заселения планеты.
Пластмассы, конечно же, – один из основных материалов, использующихся в современной жизни. Они могут быть произведены на Марсе благодаря тому, что там есть углерод и водород. Этот факт должен заставить задуматься тех, кто считает, что Луна более перспективна в плане заселения. На Луне нет доступного углерода и водорода в сколько-нибудь значимых количествах, кроме как в чрезвычайно холодных, постоянно находящихся в тени полярных кратерах, концентрация этих элементов на естественном спутнике Земли примерно такая же, как концентрация золота в морской воде. Производство дешевого пластика на Луне никогда не станет возможным. На самом деле пластмассы там еще очень длительное время будут в буквальном смысле на вес золота.
Изготовление керамики и стекла
Глинистые минералы настолько часто встречаются в марсианских грунтах, что производство керамики не составит проблем. Однако наиболее распространен на Марсе, согласно данным посадочных модулей «Викинг», диоксид кремния – SiO2. Он занимает около 40 % веса в пробах грунта, взятых обоими аппаратами. Этот минерал – основной материал для изготовления стекла, так что его легко будет получать на Марсе, плавя песок – так же, как это делалось на Земле на протяжении тысяч лет. Однако есть и плохая новость для марсианской стекольной промышленности: второе по распространенности соединение на Красной планете (около 17 % в образцах «Викингов») – оксид железа, Fe2O3. И это действительно проблема. Если вы хотите производить стекло для высококлассной оптики, песок, используемый в качестве исходного сырья, не должен содержать железа, а такой довольно трудно найти на Марсе. Так что оксид железа придется как-то удалять. Это можно сделать, соединив его с горячей окисью углерода из «отходов» реактора ОКВГ и тем самым восстановив до металлического железа и диоксида углерода, а затем удалив металл магнитом. Я согласен, процедура довольно утомительна, но в результате у вас останется железо, пригодное для других целей, например для изготовления стали, речь о которой пойдет далее в этой главе. Скорее всего, поскольку базе почти наверняка понадобится гораздо больше стали, чем оптического стекла, вскоре после появления литейного цеха недостатка в очищенном от железа сырье для стекольной промышленности уже не будет. Однако следует отметить, что стекло оптического качества вовсе не нужно для производства многих важных изделий, включая стекловолокно, отличный материал для возведения различных типов строений.
