Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете

Это экзотермическая реакция – при ее протекании высвобождается тепло, а происходит она спонтанно в присутствии никелевого или рутениевого катализатора (никель дешевле, рутений лучше). Константа равновесия, которая определяет полноту реакции, чрезвычайно сильно стремится сместить ее вправо и дает выход более 99 % уже при одном обычном запуске реактора. Реакция Сабатье широко используется в промышленности в течение примерно ста лет, а кроме того, она была изучена НАСА, ВВС США и их подрядчиками для возможного использования в системах жизнеобеспечения на МКС и в проекте «Пилотируемой орбитальной лаборатории». Компания «Гамильтон Стандарт» (сегодня это UTC Aerospace Systems), например, в 1980 году разработала реактор Сабатье для использования на МКС и подвергла его примерно 4200 часам квалификационных испытаний.

Тот факт, что реакция Сабатье является экзотермической, не означает, что для ее протекания не требуется энергия. Использующиеся реакторы представляют собой простые стальные трубы, прочные и компактные, содержащие слой катализатора. Я полагаю, ориентируясь на результаты, полученные в лабораторных испытаниях в «Мартин Мариетта» и «Пионер Астронотикс», что модуль для производства всего объема метана, необходимого для миссии «Марс Директ», должен состоять из всего трех реакторов Сабатье, каждый длиной 1 метр и 12 сантиметров в диаметре.

Во время протекания реакции (1) производимый метан сжижается либо при контакте с потоком сверххолодного водорода, либо (после того как жидкий водород будет исчерпан) с помощью механического холодильника. (Метан находится в жидком состоянии примерно при такой же относительно небольшой температуре, как и жидкий кислород.) Вода, производящаяся в процессе, конденсируется и переносится в бак, после чего закачивается в специальный отсек и подвергается известной реакции электролиза, при которой под действием электрического тока расщепляется на водород и кислород:

2Н₂O → 2Н₂

+ O₂ (2)

Кислород, полученный таким образом, охлаждается и сохраняется для дальнейших нужд, а водород может быть возвращен в реакцию Сабатье (1).

Электролиз знаком многим из школьного курса химии – ученикам обычно очень нравится этот эксперимент. Такая популярность опыта тем не менее послужила распространению несколько ошибочного представления о том, что ячейка для электролиза – это громоздкая конструкция из стеклянной посуды, расставленной по столу. В действительности электролизеры с модулятором и демодулятором представляют собой чрезвычайно компактные и надежные устройства, состоящие из сжатых слоев пластика, пропитанных электролитом, разделенных металлической сеткой и на каждом конце зафиксированных металлическими колпаками, прикрепленными к металлическим же стержням, проходящим по всей длине ячейки. Такие электролизеры с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) были сильно усовершенствованы для использования на атомных подводных лодках и к настоящему времени проработали более 20 миллионов «устройство-часов». Испытания включали воздействие на ячейки глубинными бомбами и перегрузками до 200 g. Компания «Гамильтон Стандарт» и компания «Лайф Сайенс» разработали легкие модули электролиза для Международной космической станции. Эти устройства вполне подходят для использования на марсианском топливном заводе. Блоки ТПЭ, которые «Гамильтон Стандарт» поставляет ВМФ Британии, по своему уровню выработки продуктов способны удовлетворить нужды в топливе пилотируемой миссии «Марс Директ». Эти блоки уже работали по 28 000 часов без обслуживания, что примерно в четыре раза больше, чем планируемая продолжительность марсианской экспедиции. Для подводных лодок блоки ТПЭ делаются очень тяжелыми – это нужно для балластировки, – для космических полетов они должны быть гораздо легче.

Если весь водород пойдет на производство топлива посредством реакций (1) и (2), то каждый его килограмм, привезенный на Марс, будет преобразован в 12 килограммов двухкомпонентного топлива из метана и кислорода (в соотношении 2:1 соответственно). Сжигание такой смеси обеспечит удельный импульс около 340 секунд. Этот показатель можно было бы назвать хорошим, но оптимальное соотношение кислорода и метана – около 3,5:1, такая пропорция дает удельный импульс в 380 секунд, а массовое отношение водорода к двухкомпонентному топливу в таком случае будет 18:1.

Это наилучший уровень производительности, какого можно достичь для реализации пилотируемой миссии «Марс Директ». Но он требует дополнительного источника кислорода, кроме того, который дают реакции (1) и (2). Одно из возможных решений – прямое восстановление двуокиси углерода:

2CO₂ → 2СО + O₂ (3)