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

Рис. 7.4. Мобильные методы извлечения воды из марсианского грунта: колесный комбайн, поглощающий почву (слева вверху); мобильная микроволновая система с полой (по центру); переносной купол с конденсатором (внизу) (иллюстрация Майкла Кэрролла)

Я думаю, что лучшее решение – растянуть прозрачный тент над выбранной областью, после чего пространство внутри естественным образом прогреется, как в парнике. Эффект можно усилить, если установить вокруг большие, легкие отражатели и перемещать их по мере движения Солнца, чтобы с максимальной пользой улавливать его лучи. Грунт внутри палатки будет нагреваться, конечно, не до 500 °C, но все равно существенно. Благодаря этому часть адсорбированной в нем воды испарится, и, чтобы собрать ее, достаточно будет установить в одном из углов тента постоянно охлаждаемую пластину (вода станет оседать на ней в виде инея – так же, как это происходит у вас в морозильнике). Чтобы понять, насколько эффективна такая система, учтем, что в среднем на Марсе с помощью солнечного света можно получить 500 Вт энергии с квадратного метра поверхности. Если тент представляет собой полусферу 25 метров в диаметре, а парниковый эффект и отражатель позволяют получить дополнительные 200 Вт с квадратного метра тепла, общая эффективная мощность системы будет 98 кВт. Этого достаточно, чтобы за восьмичасовой рабочий день добыть 300 килограммов воды из грунта с 4 %-ной влажностью. Тент, сделанный из полиэтиленовой пленки толщиной 0,1 миллиметра, будет иметь массу всего 100 килограммов (и, следовательно, весить на Марсе 38 килограммов), так что экипаж ровера вполне сможет переносить его на новое место каждый день. Со временем грунт, из которого извлекли воду, естественным образом увлажнится, и эту область поверхности можно будет снова использовать.

Добывать воду из марсианской атмосферы следует совершенно иным способом. Проблема здесь заключается в том, что «воздух» на Красной планете очень сухой – в среднем необходимо обработать один миллион кубометров, чтобы добыть килограмм воды. Инженер Том Мейер и исследователь Марса Крис Маккей в своей уже ставшей классической статье предложили систему механического компрессора, способную делать именно это [33]. Авторы выяснили, что для производства каждого килограмма воды потребуется около 103 кВт. ч электроэнергии. Если сравнивать их результат с показателем эффективности описанной выше системы для добычи воды из почвы (около 3 кВт. ч тепловой энергии на килограмм), «воздушный» метод, конечно, покажется малоэффективным, хотя следует отметить, что компрессор также будет добывать из атмосферы много аргона и азота, необходимых для жизнеобеспечения базы.

Впрочем, совсем недавно Адам Брукнер, Стивен Кунс и Джон Уильямс из Университета штата Вашингтон провели исследование, в котором, вместо того чтобы сжимать воздух, просто прогнали его через поглощающий слой цеолита с помощью вентилятора [34]. Цеолит очень хорошо поглощает влагу, его можно использовать для уменьшения концентрации паров воды в атмосфере до нескольких частей на миллиард, а такая влажность намного ниже, чем даже марсианская. При температурах, царящих на Красной планете, цеолит способен адсорбировать воду в количестве до 20 % от своего веса. После насыщения его можно поместить в печь, чтобы выпарить воду – на это уйдет около 2 кВт тепловой энергии на килограмм, – а затем использовать повторно. Поскольку при таком подходе достаточно гнать поток воздуха, не сжимая его, мощность механического вентилятора будет значительно меньше мощности насоса, который используется в системе Мейера и Маккея, но, вероятно, потребуется еще 2 кВт. ч электрической энергии на килограмм обработанной воды. То есть энергетические затраты здесь будут сравнимы с таковыми при добыче воды из почвы.

Основная проблема с извлечением воды из атмосферы Марса любым способом заключается в том, что система для этого должна быть довольно большой. Так, система, объединяющая воздуховод с площадью поперечного сечения 10 квадратных метров и вентилятор, способный гнать воздух со скоростью 100 метров в секунду, будет производить около 90 килограммов воды в день. Нет необходимости делать это устройство подвижным, а потому 8 кВт электрической энергии для запуска вентилятора легко можно передать с базы. Если иметь в виду, что в данном случае не нужно проводить геологоразведочные работы и перемещать грунт, что система полностью автоматизируема и что исходный материал – марсианский «воздух» – это бесконечно возобновляемый ресурс, то в итоге такая система добычи воды из атмосферы кажется весьма привлекательной.

Резюмируя, можно сказать, что, хоть на Марсе и нет водоносных каналов, оплетающих планету, вода, конечно же, здесь имеется – причем в количествах, достаточных для существования людей. Нет сомнений, что большая ее часть, добытая на засушливых просторах, пойдет на то, чтобы добавить Красной планете зелени.

Если учесть затраты на межпланетную транспортировку, станет очевидно, что, если большое человеческое общество будет когда-нибудь жить на других планетах, еду ему придется выращивать самостоятельно. В этом отношении Марс обладает огромным преимуществом по сравнению с нашей Луной и любым другим известным небесным телом (кроме Земли). Все четыре основных элемента органических соединений – водород, углерод, азот и кислород – легко доступны на Марсе. Есть мнение, что соединения углерода, вероятно, есть на астероидах; лунным зондам недавно удалось получить некоторые доказательства того, что в постоянно затененных южных областях естественного спутника Земли могут быть отложения льда. Но эти аргументы не относятся к делу, потому что самая большая проблема с Луной и со всеми другими безвоздушными космическими телами и искусственными свободно парящими в космосе колониями (вроде тех, что были предложены Джерардом О'Нилом [35]), состоит в том, что солнечный свет там недоступен в пригодной для выращивания сельскохозяйственных культур форме. Это чрезвычайно важно, но недостаточно хорошо осознано. Растениям требуются огромное количество энергии, которая может поступать только с солнечным светом. Например, один квадратный километр пахотных земель на Земле в полдень получает посредством солнечного света 1000 МВт – это сравнимо с потреблением американского города-миллионника. Иными словами, для того чтобы вырастить под искусственным светом столько сельскохозяйственной продукции, сколько производит в год крошечный Сальвадор, энергии не хватит у всех электростанции Земли, взятых в совокупности. Растения могут пережить уменьшение светового потока приблизительно в пять раз по сравнению с земными нормами, но получить урожай в сколько-нибудь значимом объеме уже не выйдет.

Проблема с использованием на Луне или в космосе естественного солнечного света заключается в том, что там он не экранируется никакой атмосферой (на Луне есть и еще одна трудноразрешимая проблема: двадцативосьмидневный суточный цикл, совершенно не приемлемый для земных растений). Солнечные вспышки губительны для жизни. Для того чтобы успешно выращивать сельскохозяйственные культуры в таких условиях, стены парника придется изготовить из стекла толщиной 10 сантиметров – что сделает использование значительных сельскохозяйственных площадей неприемлемо дорогим. Отражатели и другие направляющие свет устройства не решат эту проблему, если только не покрыть ими площадь, сравнимую с площадью засеянных участков.