НАСА и Китай планируют отправить людей на Марс где-то в 2030-х годах. Это амбициозная цель, и я был бы приятно удивлен, если бы кто-то из них достиг этой цели. Когда-нибудь в 2040-х годах, и только в том случае, если планы будут реализованы, это может оказаться более реалистичным. Такая миссия сопряжена со многими трудностями. План НАСА состоит в том, чтобы отработать большую часть технологий, сначала вернувшись на Луну, обосновавшись там на полупостоянной основе и, по сути, используя ее в качестве трамплина к Марсу.
Но Марс таит в себе некоторые сложности, в первую очередь, конечно, из-за расстояния. Просто полет на Марс и обратно значительно ограничивает время, которое астронавты могут безопасно находиться в космосе из-за радиационного облучения. Практических планов по защите от космических лучей нет (солнечное излучение более управляемо), и поэтому план НАСА состоит в том, чтобы просто уложиться в трехлетний период безопасности полетов.
Еще одна проблема, с которой сталкиваются миссии на Марс, не связанная с полетами на Луну, – это поиск топлива для обратного полета. Если вы помните уравнение ракеты, то чем больше топлива вам нужно, чтобы добраться до места назначения, тем больше топлива вам нужно перевезти и так далее. Таким образом, небольшие изменения в весе и требуемое изменение скорости могут привести к значительному увеличению потребности в топливе. Мы можем долететь до Луны с достаточным количеством топлива, чтобы вернуться обратно. Мы не можем долететь до Марса с достаточным количеством топлива, чтобы вернуться обратно. Миссии на Марс потребуется дозаправиться на Марсе, чтобы совершить обратный полет. Полеты роботов на Марс – это полеты в один конец, так что раньше это не было проблемой, но мы хотели бы вернуть наших астронавтов домой.
Есть два варианта дозаправки. Первый заключается в том, что мы отправляем топливо, необходимое для обратного полета, перед началом миссии, чтобы оно ожидало там прибытия астронавтов. Таков текущий план, и, скорее всего, так и произойдет. Однако второй вариант заключается в том, чтобы производить топливо на Марсе из местных ресурсов. Потенциальное преимущество здесь заключается в том, что, как только оборудование будет отправлено на Марс, настроено и начнет функционировать, у него будет постоянный источник топлива. Это может обеспечить несколько миссий и даже поселение на Марсе. Поэтому исследователи ищут способы реализовать это.
В недавней статье описан один из возможных методов. Для получения ракетного топлива необходимы пропеллент и ускоритель – два компонента, которые будут сжигаться вместе. Ускорителем является жидкий кислород. В качестве топлива могут использоваться различные вещества, например, жидкий водород и метан – два популярных вида топлива, используемых при запуске ракет с Земли. Ни то, ни другое не существует на Марсе, но теоретически может быть создано. Водород можно отделить от воды, что позволило бы использовать его и как топливо, и как ускоритель в одном процессе. В коре Марса, вероятно, есть вода, но получить ее в достаточных объемах будет непросто. Вы также можете отделять кислород от CO2 в атмосфере и смешивать его с водой в процессе получения метана.
Однако в ходе нового исследования исследователи осознали важный факт – сила тяжести на Марсе составляет всего 38% от земной. Это означает, что топливо, которое не подходит для ракет на Земле, может прекрасно подойти для полета с Марса. Ракетное уравнение, по сути, ограничивает потребление ракетного топлива минимально необходимой плотностью энергии. На самом деле, на планете с поверхностной гравитацией всего 1,5 G химические ракеты не смогли бы выйти на орбиту. Химическая энергия просто недостаточно энергоемка. Для этого потребовалось бы что-то вроде ракет с ядерными двигателями.
Имея в виду расширенный список потенциальных видов ракетного топлива для Марса, исследователи рассмотрели 2,3-бутандиол (2,3-BDO). Они описали процесс, с помощью которого “фотосинтезирующие цианобактерии преобразуют марсианский CO2 в сахара, которые с помощью Escherichia coli преобразуют в 2,3-BDO”. Для выращивания цианобактерий и кишечной палочки нам потребуется около четырех биореакторов размером в футбольное поле, работающих на солнечном свете. Затем 2,3-BDO может быть очищен в биореакторах с помощью кишечной палочки. В результате процесса будет получено около 44 тонн избыточного кислорода, который может быть сохранен для использования астронавтами или в дальнейшем на Марсе.
Недостатком является то, что общий вес оборудования в 2,8 раза превышает вес оборудования, использующего химическое топливо in situ. Исследователи полагают, что с помощью оптимизации можно снизить вес на 13%, но это все равно больше. Это может оказаться выгодной сделкой, поскольку при расчете стоимости миссий на Марс все зависит от веса. Однако есть несколько преимуществ. В этом процессе используется меньше энергии, чем при использовании химического топлива. Энергия, вероятно, также является ограничивающим ресурсом для любых миссий на Марс или поселений. Кроме того, процесс и оборудование можно легко перепрофилировать для приготовления пищи. Кроме того, при этом образуется избыток кислорода для других целей.
Даже если подобный процесс не будет использоваться для первоначальных миссий на Марс, использование биореакторов для производства биотоплива может стать хорошей долгосрочной стратегией для поселения на Марсе. Это позволит производить продукты питания, топливо и кислород с помощью энергоэффективного процесса. Возможно, это оправдает первоначальные вложения в увеличение веса оборудования для отправки на Марс. Возможно, что для дальнейшего уменьшения необходимого веса потребуется модернизация оборудования. К тому времени, когда миссии действительно отправятся на Марс, будет достаточно времени для технического прогресса. И, конечно, дальнейшее развитие этой технологии может найти потенциальное применение на Земле.
