Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете

Эту реакцию можно осуществить, нагрев двуокись углерода примерно до 1100 °C, что приведет к частичной диссоциации газа, после чего произведенный свободный кислород можно будет под напряжением пропустить через циркониевые керамические мембраны и тем самым отделить от остального газа. Использовать эту реакцию для производства кислорода на Марсе впервые предложил доктор Роберт Эш из ЛРД в 1970 году и с тех пор это было и остается предметом исследований как самого Эша (который сейчас работает в Университете Старого Доминиона), так и Кумара Рамохали и К. Р. Шридхар (из Университета штата Аризона). Преимущество данного химического процесса – то, что он полностью отделен от любых других и позволяет произвести неограниченное количество кислорода без какого-либо дополнительного исходного сырья. К недостаткам можно отнести то, что трубки из циркония крошатся и дают небольшой выход продукта, потому для миссии «Марс Директ» их понадобится очень много. Также для этого процесса требуется примерно в пять раз больше энергии, чем при производстве того же объема кислорода с помощью электролиза воды. Недавно исследователи из Университета штата Аризона сообщили, что им удалось увеличить выход реакции, так что ее имеет смысл рассматривать в качестве перспективной, но все еще экспериментальной.

Альтернативой, которая позволит удержать все процессы строго в рамках промышленной химии эпохи газового освещения, будет известная инженерам-химикам реакция конверсии водяного газа, запущенная в обратном порядке: повторное использование некоторого количества водорода (полученного в блоке электролиза) в третьей камере, где он вступит в реакцию с диоксидом углерода в присутствии железно-хромового или медного катализатора. Этот процесс даст на выходе окись углерода и воду:

CO₂ + Н₂ → СО + Н₂

O (4)

Реакция (4) слегка эндотермическая, но протекает она при 400 °C, что хорошо укладывается в температурный режим реакции Сабатье. Если проводить реакцию (4) одновременно с (1) и (2), то можно получить смесь с искомым соотношением метана и кислорода, а вся энергия, необходимая для реакции (4), будет добыта из тепла, выделяемого в реакторе Сабатье. Реакцию (4) можно проводить в простой стальной трубе, что делает конструкцию довольно надежной. Недостатком здесь является то, что в интересующем нас температурном интервале реакция (4) имеет константу равновесия всего около 0,1, а это означает, что для поддержания процесса придется запустить конденсатор и мембранный сепаратор, чтобы постоянно удалять из реактора воду и окись углерода, а затем с помощью насоса возвращать в камеру непрореагировавшие водород и диоксид углерода и повторно их использовать. (Вода и СО – это продукты, стоящие в правой части уравнения (4); пока они непрерывно удаляются, реакция сообразно химическим принципам будет течь вправо с образованием воды и СО, чтобы поддерживать соответствующую равновесную концентрацию в реакторе.) Такая система была впервые продемонстрирована мною и Брайаном Фрэнки в «Пионер Астронотикс» в 1997 году, причем с последующими улучшениями нам удалось достичь почти полного превращения диоксида углерода и водорода в СО и воду. При запуске реактора обратной конверсии водяного газа (ОКВГ) параллельно с циклом реакции Сабатье и электролиза можно легко добиться такого соотношения метана и кислорода в топливе, которое будет оптимальным для использования в ходе миссии «Марс Директ».

Более элегантное решение заключается в простом объединении (1) и (4) в одном реакторе следующим образом:

3CO₂ + 6 Н₂ → СН₄

+ 2СО + 4 Н₂O (5)

Эта слабоэкзотермическая реакция, и если запустить ее вместе с (2), смесь кислорода и метана будет иметь пропорцию 4:1, что даст оптимальное соотношение масс компонентов топлива 18:1, причем кислорода окажется даже больше, чем нужно, – его можно будет использовать как запас для системы жизнеобеспечения. Кроме того, продуктом реакции окажется окись углерода, теоретически пригодная для различных двигателей внутреннего сгорания или топливных элементов. Если учесть весь произведенный запас окиси углерода и кислорода, общее соотношение масс компонентов топлива может достигать 34:1!