Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете

Размер марсианского ровера, приводимого в движение путем химического сгорания, будет в решающей степени зависеть от соотношения энергии и массы используемого топлива. Хотя на Марсе в принципе можно использовать любое двухкомпонентное топливо, не следует забывать об издержках транспортировки, поэтому большая его часть должна быть изготовлена на месте из марсианских материалов. Список возможных комбинаций приведен в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Потенциальные виды двухкомпонентного топлива для транспортных средств на Марсе

Марсианская атмосфера на 95 % состоит из двуокиси углерода, и поэтому ее комбинации с водородом (Н₂

/CO₂) и гидразином (N₂H

₄/CO₂), приведенные в табл. 6.2, могут использоваться в воздушно-реактивных двигателях по принципу, во многом схожему с принципом работы двигателей внутреннего сгорания и воздушно-реактивных двигателей на Земле. В этих случаях, когда речь идет о соотношении энергии и массы, имеется в виду масса только одного компонента топлива, так как углекислый газ перевозить на машине не нужно. Становится очевидно, что с точки зрения соотношения энергии и массы двигатель на смеси водорода и диоксида углерода превосходит все другие варианты. Однако огромная проблема хранения водорода делает использование такой системы в ровере практически нереальным. Смесь метана и кислорода обладает высокой энергоемкостью, так что можно остановиться на этом варианте. Мало того, как раз метаново-кислородное топливо на Марсе производить проще всего. Оно также наилучшим образом подходит для ракет-носителей, которые будут летать с поверхности Красной планеты. Как мы уже видели, план «Марс Директ» предполагает использование смеси метана и кислорода в качестве топлива для ВЗА. Так что наши роверы можно будет заправлять на том же марсианском заводе (ЗПТМ), что изготавливает топливо для ракет.

Впрочем, можно видеть, что удельная энергоемкость смеси метанола и кислорода тоже неплоха. Это интересно, потому что метанол и кислород хорошо подходят для топливных элементов (автобусы в Ванкувере в настоящее время работают на таких системах), и в плане простоты получения на Марсе метанол стоит на втором месте после метана. Несмотря на то что метанол существенно уступает метану как ракетное топливо, его некриогенная природа и простота транспортировки (его перевозят как воду – стеклоочистительная жидкость на треть состоит из этого вещества) делают его интересным вариантом для использования в качестве переносимого источника энергии для астронавтов, работающих на поверхности Марса. Итак, если мы готовы столкнуться с большими сложностями, используя две различные системы производства топлива – одного для ракет, другого для техники, катающейся по поверхности Марса, – можно рассмотреть вариант со смесью метанола и кислорода.

Ровер будет работать на этом топливе, разбавленном углекислым газом, или использовать топливный элемент на метаноле и кислороде. Отходами в обоих случаях окажутся углекислый газ и вода. Первый никакой ценности не представляет – его всегда можно получить из марсианской атмосферы, – а потому он будет выводиться как выхлоп. А вот с водой все обстоит иначе. Хорошая идея – оснастить марсианские автомобили холодильниками (конденсаторами), которые позволят отфильтровывать воду из продуктов работы двигателя. (Это не сложная технология. ВВС США в 1920-х годах проделывали то же самое с дирижаблями. Отработавшая свое вода там использовалась в качестве балласта.) По возвращении ровера на базу конденсированную воду будут изымать, чтобы потом объединить с двуокисью углерода и использовать для синтеза метаново-кислородного топлива. Если 90 % воды удастся использовать повторно, можно будет более 10 раз заправить машину топливом, полученным из одного и того же вещества.

А что насчет системы жизнеобеспечения ровера? На поверхности Марса на тех же ЗПТМ можно легко производить неограниченное количество кислорода, используя диоксид углерода, из которого атмосфера Марса состоит на 95 %. Однако азот и аргон в сумме составляют всего около 4,3 % марсианской атмосферы, и, следовательно, найти буферный газ для дыхания будет гораздо сложнее. (Вы можете использовать диоксид углерода в качестве буферного газа для двигателей, но не для человека. В концентрациях выше 1 % он становится токсичным.) Поэтому крайне важно, чтобы жилые модули и герметичные роверы работали при минимально возможных парциальных давлениях буферного газа. Для жилого модуля на поверхности Марса я рекомендую давление в 5 фунтов на квадратный дюйм[23] (3,5 фунта кислорода, 1,5 фунта азота), такое давление использовали астронавты НАСА в долгосрочных экспедициях на станциях «Скайлэб» в 1970-е годы.