Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете - Роберт Зубрин

Тем не менее такие запасы чистого льда в неполярной области можно найти далеко не везде. Марсианским исследователям гораздо чаще придется иметь дело с вечной мерзлотой или заледеневшей грязью. Эти источники могут содержать большое количество воды, но тем, кто будет добывать ее, вероятно, придется воспользоваться динамитом. Вечная мерзлота при марсианских температурах должна быть довольно неподатливым материалом. Кстати, в некоторых ситуациях ее можно рассматривать как превосходный местный строительный материал. Блоки из смерзшегося грунта гораздо крепче, чем обожженные кирпичи из красной глины, для их изготовления не нужна печь, а скреплять их можно без строительного раствора. А еще такой блок – это запас воды, достаточно просто расплавить его.

Все рассмотренные ранее подходы к поиску и добыче воды можно назвать героическими. Теперь давайте взглянем на какие-нибудь более обыденные, промышленные методы.

В марсианском грунте есть некоторое количество воды. Мы это точно знаем, потому что случайные образцы, взятые с поверхности на глубине до 10 сантиметров на обеих посадочных площадках «Викинга», содержали по весу около 1 % воды. Это не так уж плохо, но на самом деле тест был не совсем достоверным, потому что грунт на поверхности Марса самый сухой. Образцы нагревали в течение всего 30 секунд до температуры 500 °C и, более того, перед экспериментом их хранили в открытом сосуде при 15 °C в течение нескольких дней. Так как эта температура намного выше, чем средняя марсианская, очень высоки шансы, что значительное количество воды из образцов испарилось. На основании результатов «Викингов» можно с уверенностью предположить, что среднестатистический марсианский грунт содержит не менее 4 % воды. Впоследствии это предположение подтвердил орбитальный зонд «Марс Одиссей». А некоторые грунты, вероятно, будут еще более влажными. Так, на Марсе есть соли, обычно содержащие до 10 % химически связанной воды, которая может выделяться при нагревании. Распространенные на Красной планете глины тоже отлично адсорбируют воду. Например, в SNC-метеоритах была найдена смектитовая глина, также известная как «разбухающая», потому что она способна поглотить несколько процентов воды по отношению к своему весу. Во многих SNC-метеоритах также был найден минеральный гипс (CaSO4 × 2Н2O). Вполне вероятно, что он довольно распространен на Марсе, потому что серы и кальция на обеих посадочных площадках «Викингов» обнаружилось гораздо больше (в сорок и в три раза соответственно), чем в среднем в почвах на Земле. Гипс может включать более 20 % воды по весу.

Рис. 7.3. Система для извлечения воды из марсианского грунта: грузовик, печь и отвал шлака (рисунок Майкла Кэрролла)

Будь то 4 или 20 %, чтобы получить воду из почвы, понадобится только тепло. Осуществить нагрев можно одним из двух способов: принести либо почву к нагревателю, либо нагреватель к почве. Первый вариант показан на рис. 7.3. Грузовик, нагруженный некоторым количеством относительно влажного грунта, сваливает его на конвейерную ленту, ведущую к разогретой до 500 °C (или около того) печи, в результате чего выделяется адсорбированная вода. Пар, полученный таким образом, собирают в конденсаторе, а обезвоженный материал выбрасывают. Полученные кучи шлака, конечно, будут создавать некоторое неудобство, но в целом энергетика этой системы не так уж плоха. Если в качестве исходного сырья использовать грунт с 4 %-ной влажностью, потребуется около 3 кВт. ч тепла на каждый килограмм воды [32]. При таком расходе реактор на 100 кВт сможет производить 900 килограммов воды в сутки, если его электроэнергия питает печь, или до 18 тонн воды в день, если потерянное тепло реактора будет использовать для обжига. (Термоэлектрические генераторы – современные космические ядерные источники питания – используют для преобразования в электричество только 5 % энергии, остальные 95 % выходят как «отработанное тепло».)

Увы, остается еще отвал обезвоженного грунта, с которым надо что-то делать. Мы могли бы произвести 18 тонн воды в день, но одновременно с тем обзавелись бы 462 тоннами шлака. Это не так много, около 12 кубометров, или шесть грузовиков. Вполне вероятно, что мы найдем сухой породе какое-то применение, а если нет, то просто сбросим его в соседний кратер.

Впрочем, если вы не хотите возить грунт туда-сюда, альтернативой будет доставка нагревателя к нужной области Марса. Один из предложенных способов заключается в том, чтобы иметь мобильную печь, способную, находясь в движении, загружать в себя грунт, прогревать его, конденсировать пар и выбрасывать сухую породу [33]. Вы, наверное, не захотели бы использовать для такой системы ядерный реактор, а вместо этого предпочли бы радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ) вроде того, что использовался на «Вояджерах», «Викингах», «Галилее» и других космических аппаратах, отправившихся исследовать окраины Солнечной системы. Стандартный РТГ выдает 300 Вт электроэнергии, которых достаточно, чтобы привести в движение грузовик, а также 6 кВт отходящего тепла, что позволяет получать 56 килограммов воды в день из 4 %-ного исходного сырья. Такое устройство было бы весьма удобно для небольших экипажей, работающих на выезде, или как дополнительная часть оборудования для первых разведывательных миссий (56 килограммов ежедневно в течение одной 500-дневной миссии «Марс Директ» – это в конечном итоге запасы воды до 28 тонн), но его выход весьма мал по сравнению с потребностями большой развивающейся марсианской базы. Конечно, мы могли бы производить необходимую воду, используя множество таких устройств, но все эти РТГ дорого нам обойдутся, к тому же мы по-прежнему будем перелопачивать много грунта, и еще надо учитывать износ оборудования. Есть ли более изящное решение?

Один из таких способов – использование микроволнового устройства для нагревания грунта. Вода в таком случае будет испаряться и подниматься в виде пара. Целиком конструкция может представлять собой что-то вроде поставленного на шасси тента с подвижной полой внизу, как щеткой захватывающей грунт вокруг; последняя должна быть достаточно плотной и герметичной, чтобы удерживать водяной пар, пока он не осядет на стенках тента. Преимущество этой схемы заключается в том, что здесь не нужно копать грунт, и более того, микроволновые печи расходуют большую часть своей энергии на нагрев одной лишь воды, а не грунта. К сожалению, поднимающийся пар будет передавать тепло почве, так что оно окажется израсходовано впустую (впрочем, не в такой степени, как в системе одного только теплового нагрева). Однако проблема состоит в том, что питать микроволновую печь следует от источника электрической, а не, например, тепловой энергии. 6000 Вт отработанного тепла, произведенного РТГ, не получится использовать для приведения системы в действие, придется довольствоваться 300 Вт электрической мощности аппарата. Таким образом, даже если 1 Вт мощности микроволнового устройства окажется вдвое эффективнее тепловой энергии при добывании воды из грунта, вы все равно получите только одну десятую часть запланированного количества воды, потому что тепловая энергия в двадцать раз доступнее. Впрочем, если концентрация воды высока, а грунт слишком тверд, чтобы его раздробить и загрузить в печь (как в случае с вечной мерзлотой), микроволновая система будет работать лучше, чем мобильный экскаватор, хотя выход по-прежнему останется довольно низким. Предположим, мы используем такую систему для обработки запаса вечной мерзлоты, содержащей по весу 30 % воды. На извлечение каждого ее килограмма понадобится около 1 кВт. ч электрической мощности. Так, в течение марсианского сола (24,6 земного часа) передвижной микроволновый аппарат с 300-ваттным РТГ сможет добыть около 7,4 килограмма воды. Единственный способ улучшить производительность – применить намного больше энергии, например подключив устройство с помощью длинного кабеля к ядерному реактору базы и добавив 100 кВт. В этом случае удастся произвести 2,2 тонны воды в день, но аппарат потеряет мобильность.