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

Если в качестве подходящих кандидатов мы рассмотрим только территории Верхней Амазонии и предположим, что темп их формирования равномерен на отрезке в 500 миллионов лет, мы обнаружим, что 10 % (0,5 миллиона квадратных километров), вероятно, имеют возраст менее 50 миллионов лет, 1 % (50 тысяч квадратных километров) – менее 5 миллионов лет, а 0,1 % (5 тысяч квадратных километров), наверное, были активны в течение последних 500 тысяч лет.

Не следует извлекать геотермальную энергию из области, которая вулканически активна в настоящее время. Недра остаются горячими довольно долго после того, как активность ослабла. В своей основополагающей статье про марсианскую геотермальную энергию Фогг представил расчеты температурных профилей тамошних грунтов как функции времени с момента, когда регион был активен. Его результаты обобщены в табл. 7.2.

Для справки, текущий уровень развития технологии наземного бурения позволяет углубиться примерно на 10 километров. На Марсе делать глубокие скважины должно быть легче, так как меньшая сила тяжести уплотняет почву менее значительно. Можно видеть, что площади, связанные с геотермальной активностью в течение последних 5 миллионов лет, довольно обширны, и для таких территорий будет достаточно скважин глубиной всего в несколько километров, чтобы добыть очень горячую воду. После того как она окажется на поверхности, она станет очень быстро превращаться в пар и может быть использована для выработки электроэнергии с помощью движущейся турбины. Такая станция на Марсе окажется еще более эффективной, чем на Земле, потому что низкое атмосферное давление позволит пару сильнее расширяться перед конденсацией. Часть сточной воды, образующейся в результате этого процесса, будет отведена для снабжения базы в необходимом объеме. Остальная вода направится обратно в скважину, чтобы снова пополнить подповерхностный водоносный слой.

Таблица 7.2. Характеристики марсианских геотермальных полей

Геотермальную энергию нельзя сгенерировать на Луне, ее нельзя сгенерировать на астероидах. Из всех внеземных тел в Солнечной системе только Марс имеет потенциал для создания такого обильного источника энергии для поддержки человеческих поселений.

Варианты применения энергии Солнца и ветра для периферийных энергетических установок вместе с использованием геотермальной энергии для основных потребностей указывают, что при использовании ядерных реакторов в начале освоения планеты марсианская база, которая освоит соответствующий набор технологий использования местных ресурсов, будет способна расширять возможности по обеспечению источниками энергии своими силами. Чем больше энергии окажется у базы, тем быстрее она станет расти и, следовательно, получать еще больше энергии по мере роста. Как только на Марсе появится возможность для производства солнечной, ветряной и особенно геотермальной энергии, рост базы станет экспоненциальным.

А не прекратится ли глобальное исследование Марса в период, пока будет строиться база? Ничего подобного! Как бы хорошо мы ни выбрали место для нее, с уверенностью можно сказать, что некоторые существенные ресурсы, необходимые для ее развития, окажутся доступны только на участках, удаленных на десятки, сотни или тысячи километров от нее. Для роста базы потребуются глобальное разведывание и транспортировка ресурсов. Это будут симбиотические отношения, в которых сама база станет обеспечивать возможность для передвижения исследователей на большие расстояния.

Ситуация в некотором смысле аналогична истории освоения Антарктики человеком. До Международного геофизического года (1957) исследование проводили посредством серии выездов, где каждая разведывательная группа использовала собственный корабль в качестве базы. Однако с начала того года было принято решение построить большую постоянно работающую базу в проливе Мак-Мердо. Сегодня она позволяет использовать и ремонтировать механизированные транспортные средства, вертолеты и самолеты, которые дают исследователям Антарктики доступ к любой части континента. Концентрируя ресурсы в одной точке, люди создали возможность проводить исследования гораздо шире и детальнее, чем когда-либо раньше, сохранив при этом традицию использования собачьих упряжек и лыж для вылазок от отдельных разведочных судов.

Местности на Марсе гораздо более суровые, чем даже в Антарктиде. Чтобы иметь действительно высокую мобильность, там придется летать. В то время как воздушные шары и дозвуковые самолеты можно использовать, чтобы запускать малые роботизированные устройства в ветреное марсианское небо, единственными системами, достаточно надежными для транспортировки людей, станут аппараты с ракетными двигателями, способные прорываться через любую погоду. Это могут быть либо чисто баллистические устройства, выпрыгивающие из марсианской атмосферы, для того чтобы перебраться с одной стороны планеты на другую, либо крылатые ракетопланы, способные летать на сверхзвуковой скорости. Оба типа систем расходуют много топлива, а управление ими будет немыслимо, пока люди на Марсе не начнут изготавливать большое количество ракетного топлива.

Для примера рассмотрим марсианский пилотируемый баллистический прыгун с массой в 10 тонн, работающий на метаново-кислородных ракетных двигателях с удельным импульсом в 380 секунд. Скажем, мы хотим, чтобы он пролетел 2600 километров (то есть преодолел 45 градусов по широте или долготе на поверхности Марса), оставил на месте груз и налегке вернулся на базу. Для того чтобы выполнить этот маневр, устройству будет нужно отношение масс, близкое к 7, так что всего понадобится 60 тонн топлива. Если мы хотели бы осуществить полет на 15-тонном ракетоплане (крылья сделают его тяжелее) со сверхзвуковым отношением подъемной силы к лобовому сопротивлению (L/D), равным 4, отношение масс будет около 5, так что снова понадобятся 60 тонн ракетного топлива. Ясно, что не существует способа часто использовать эти виды транспортных средств на Марсе, в случае если их метаново-кислородное топливо или хотя бы только водородное сырье для его производства импортируется с Земли.

Необходимость перевозить достаточное количество топлива и для перемещения к месту назначения, и для возвращения из разведывательного вылета ограничивает максимальную дальность перемещения химических ракет на Марсе расстоянием в 4000 километров. Этот лимит может быть устранен, если транспортное средство станет самостоятельно производить топливо после посадки. Химические двухкомпонентные виды топлива не позволяют этого, потому что на их производство требуется слишком много энергии (около 5 кВт. ч на килограмм), и, следовательно, такие затратные системы не подойдут для частых запусков.

Однако в конце 1980-х годов я придумал концепцию, которую назвал «ядерная ракета на марсианском топливе» (ЯРМТ, или NIMF, nuclear rocket using indigenous martian fuel), которая, как мне кажется, способна устранить эту проблему [41, 42]. В случае ЯРМТ в качестве топлива используется простой диоксид углерода из марсианской атмосферы, которые нагревается за счет бортового ядерного ракетного двигателя для создания горячей выхлопной струи газа. Поскольку в данном случае ЯРД не превращает тепло в электричество, все приспособления для преобразования энергии, которые на самом деле составляют большую часть массы ЯРД, оказываются ненужными, и система становится компактной и легкой. Так как топливо здесь – обычный диоксид углерода, который можно добыть при низких затратах энергии (менее 0,3 кВт. ч на килограмм) путем закачивания из атмосферы, на борту понадобится не так много электроэнергии, так что все оборудование для химического синтеза также оказывается ненужным. Горячий диоксид углерода нельзя назвать высококлассным ракетным топливом, удельный импульс будет около 260 секунд – это все, на что можно рассчитывать. Но старателю нужен мул, способный есть горный кустарник, а привередливый скакун, предпочитающий отборный корм, в горах будет бесполезен. ЯРМТ – по существу, гораздо более мощный и продвинутый вариант газового прыгуна, рассмотренного в главе 6, – это идеальное разведывательное судно, поскольку для его питания сгодится все, что можно найти на месте. Ракетные транспортные средства, оснащенные этим типом двигателей, обеспечат исследователям Марса полную мобильность в масштабах планеты.