Стивен Петранек - Как мы будем жить на Марсе

В реакторе WAVAR используются адсорбирующие воду минералы под названием цеолиты. На земле они встречаются в природе в чистом виде и легко производятся в фабричных условиях (цеолиты, в частности, используют в промышленных установках по осушению воздуха: они поглощают содержащийся в нем водяной пар). Затем статья объясняет, каким простым может стать процесс добычи воды: “Марсианский воздух с помощью вентилятора засасывается в систему через пылевой фильтр. Отфильтрованная смесь газов проходит через слой адсорбента, где от смеси отделяется водяной пар. После того как слой достигает предельного насыщения, водяной пар десорбируется, конденсируется и поступает в резервуар. В конструкции всего семь узлов: фильтр, слой адсорбента, вентилятор, узел десорбции, поворотный механизм, конденсатор и система активного управления”.

Чтобы по возможности уменьшить массу реактора и его влияние на окружающую среду, устройство необходимо доставить на Марс и начать производить воду за два года до прибытия космонавтов.

Наверное, это уже очевидно, но стоит повторить еще раз: если на Марсе действительно есть вода, как мы предполагаем, то у человечества будут все шансы основать там постоянное поселение.

Теперь займемся проблемой кислорода. Если в вашем скафандре закончится кислород, то вы (не считая азота) начнете вдыхать тот же углекислый газ, который выдыхаете, – пока не потеряете сознание. А там недалеко и до гибели. Человек не может долго дышать воздухом, в котором более 5 % двуокиси углерода, отчасти потому, что у нас есть такой защитный механизм – от избытка углекислого газа мы теряем сознание.

С этой точки зрения Марс кажется весьма негостеприимным местом – ведь в его атмосфере почти совсем нет кислорода. “Воздух” Марса, по данным марсохода “Кьюриосити”, полученным в 2012 году, содержит примерно 2 % азота, 2 % аргона, 95 % углекислого газа и ничтожные количества угарного газа (СО) и кислорода. Показатели слегка варьируются в зависимости от времени года, поскольку в зимние месяцы часть газов на полюсах замерзает, а весной снова испаряется. Однако, хотя свободного кислорода в атмосфере планеты меньше одного процента, на самом деле на Марсе полно кислорода. Дело в том, что углекислый газ (CO2) по атомной массе на 28 % состоит из углерода и на 72 % из кислорода. И если атмосфера Марса на 95 % состоит из CO2, значит, не меньше 70 % общей массы марсианского “воздуха” составляет кислород. И хотя плотность атмосферы Марса достигает лишь 1 % от плотности земной атмосферы, это все равно немало.

В воде, которую первые поселенцы будут добывать на Марсе, кислорода еще больше – он составляет примерно 89 % от массы воды. А земляне уже давно научились с помощью простой технологии, которая называется электролиз, расщеплять молекулы воды и получать кислород. Для этого нужно всего лишь опустить два электрода в сосуд с водой, пропустить через воду электрический ток и… вуаля! Кислород можно собирать на одном конце резервуара, у анода, а водород – на другом, у катода. Практически каждому школьнику приходилось выполнять на лабораторной работе по химии эксперимент с электролизом.

Кстати, водород – это отличное топливо и превосходный источник энергии, поэтому у этого процесса есть и дополнительные преимущества: водород и кислород, разделенные, а затем смешанные определенным образом, превращаются в идеальное ракетное топливо. Проблема же, с которой придется столкнуться первым колонистам на Марсе при использовании электролиза, только одна, зато ее крайне сложно решить – эта технология требует огромного количества электроэнергии.

К счастью, в NASA уже предложили решение. На борту марсохода, который полетит на Марс в 2020 году (этот зонд станет преемником “Кьюриосити”), будет топливный элемент, способный разделять углекислый газ, взятый из атмосферы Марса, на кислород и угарный газ.

Эта технология называется МОКСИ (.MOXIE, Mars Oxygen In-situ Resources Utilization Experiment) – эксперимент по утилизации местных ресурсов Марса с целью производства кислорода. В основе устройства – также принцип электролиза, но при этом используется жаропрочная электропроводная керамика, и процесс происходит непосредственно в марсианской атмосфере. “Пропущенный по керамике заряд избирательно отделяет ионы кислорода, которые при помощи катализатора собираются на поверхности”, – рассказывает доктор Майкл Хект, ведущий разработчик МОКСИ и заместитель директора по науке Хайстекской обсерватории Массачусетского технологического института. NASA этот проект нужен в первую очередь не для того, чтобы вырабатывать кислород для дыхания, а чтобы получить в достаточном количестве окислитель для ракетного топлива на обратный полет с Марса на Землю. Кислород весит куда больше, чем водород или метан, поэтому агентство очень хочет добывать его на Марсе, а не тащить с собой с Земли.

Модуль МОКСИ, установленный на новом марсоходе, будет производить при стандартных показателях температуры и давления всего лишь около пятнадцати литров кислорода в час. Вроде бы не слишком много, но, с другой стороны, легким человека требуется всего пять-шесть миллилитров в минуту. По словам Хекта, “в общем и целом МОКСИ способен постоянно вырабатывать достаточно кислорода для одного человека, если этот человек не занимается очень активной физической работой”.

В настоящее время МОКСИ – это всего лишь рабочая модель в масштабе 1:100, но если она будет функционировать так, как ожидается, NASA планирует построить агрегат в натуральную величину, увеличив его размер и производительность в сто раз, хотя для обеспечения такого устройства энергией потребуется ядерный реактор.

“План следующий: сначала мы построим на Марсе автоматическую станцию с ядерным реактором и установкой по производству кислорода, – объясняет Хект. – А через два года и два месяца, удостоверившись, что резервуар с кислородом полон, а реактор работает как нужно, пошлем туда людей”.

На Земле мы дышим воздухом, который состоит примерно на 78 % из азота и на 21 % из кислорода. Человек в принципе способен дышать самыми разными комбинациями газов, в том числе смесью гелия и кислорода, но не смесью 20 % кислорода и 80 % CO2. Чтобы смесь с кислородом была пригодна для дыхания, ее вторым компонентом должен быть не вступающий в реакции (инертный) газ, такой как аргон или гелий. Азот обычно к инертным газам не относят, однако связь между двумя атомами в молекуле азота так сильна, что он чаще всего не вступает в реакцию с другими веществами.

Одно из важнейших условий для выживания человека на Марсе – наличие пищи. Агрономическая наука высоко развита во многих странах, в том числе и в Соединенных Штатах, и множество ученых посвятили годы попыткам понять, как мы сможем выращивать пищу на Марсе (колонисты будут вегетарианцами, нравится им это или нет, потому что разводить животных намного менее продуктивно). Если первые поселенцы высадятся в районе экватора, днем там будет достаточно тепло для надувных теплиц. Их нужно будет хорошо изолировать и обогревать с помощью пассивного солнечного отопления, например накапливающих тепло камней, на весь день выставленных на солнце, а в ночное время придется также подключать электрическое отопление, чтобы компенсировать резкое падение температуры. Стандартные марсианские сутки вблизи экватора – это примерно двенадцать часов дневного света и двенадцать часов темноты.

Кроме того, растениям потребуется более плотная атмосфера, чем та, что в настоящее время есть на Марсе. Ботаники расходятся во мнениях по поводу точных значений давления внутри марсианских теплиц, но предполагается, что достаточно одной десятой атмосферного давления Земли. Эксперименты, проведенные на МКС, показали, что растения могут расти в невесомости, но никто не знает наверняка, как повлияет на них гравитация Марса, составляющая примерно 38 % земной.

Мы достаточно знаем о марсианском реголите, чтобы уверенно предполагать, что по большей части из него получится хорошая почва, хотя это будет в некоторой степени зависеть от конкретного местоположения реголита. Образцы, изученные марсоходами, и анализ астероидов, которые прилетели на Землю с Марса, указывают, что на поверхности Красной планеты есть минерал смектит, который часто встречается на Земле и используется, например, в составе наполнителей для кошачьих туалетов. Этот минерал легко поглощает воду и может быть полезным для выращивания растений. Однако марсианская почва, возможно, окажется слишком кислой или слишком щелочной и потребует реабилитации, а также насыщения питательными веществами вроде азота. Гидропоника (выращивание растений без почвы, в воде с питательными веществами) будет самым надежным способом успешно получить урожай сельскохозяйственных культур – при условии, что воду легко будет добывать и держать в жидком состоянии.