Таблица 7.1. Сравнение питательных веществ для растений в почвах на Земле и Марсе
Насколько плодороден марсианский грунт? Трудно сказать, но на основании того, что нам известно сегодня, он, вполне вероятно, может оказаться отличной средой для выращивания культур – значительно лучшей, чем почвы в большинстве стран на Земле.
В табл. 7.1 сравнивается концентрация необходимых для растений питательных веществ в земных и марсианских грунтах (последние данные основаны на результатах «Викинга» и анализе SNC-метеоритов [36]).
Из табл. 7.1 видно, что в плане содержания большинства питательных веществ, необходимых для растений, марсианский грунт богаче, чем земной. Проблема там только с азотом, содержание которого не удалось измерить из-за ограничений конструкции рентгеновского флуоресцентного прибора «Викинга», использовавшегося для анализа состава почвы. Однако известно, что азот есть в атмосфере Марса, поэтому, если грунт вдруг окажется бедным нитратами, можно синтезировать аммиак и нитратные удобрения. В самом деле, те же реакторы Сабатье, использующиеся для производства метанового топлива, вполне реально приспособить и для производства аммиака, если в качестве исходного сырья взять азот и водород. Большинство удобрений на Земле производится именно в таких реакторах. Однако, согласно нашему сегодняшнему представлению о формировании планет, изначально на Марсе должно было быть то же содержание азота, что и на Земле, и его большая часть по-прежнему остается на планете, несомненно, в связанном виде в грунте, то есть в виде нитратов. Природные слои этих соединений наверняка будут обнаружены на Красной планете и обеспечат базу грузовиками удобрений.
Еще одно питательное вещество, которое необходимо для растений и которым, как сейчас кажется, бедны типичные марсианские грунты, – это калий. Вероятно, его в высоких концентрациях можно будет найти в соляных слоях, отложившихся на ныне сухих берегах древних водоемов Марса.
По физическим свойствам марсианский грунт может вполне подходить для выращивания сельскохозяйственных культур, так как кажется рыхлым и пористым. Как уже говорилось ранее, марсианские почвы содержат смектитовые глины. Это хорошая новость для будущих марсианских фермеров, потому что смектиты весьма эффективны при буферизации и стабилизации рН почвы в слегка кислую сторону, а также обеспечивают большой запас заменяемых питательных ионов благодаря своей высокой обменной способности.
Я уже рассказывал, что марсианские теплицы будут находиться под давлением в 5 фунтов на квадратный дюйм (340 мбар), что в три раза меньше, чем давление на уровне моря на Земле. Поскольку сила тяжести на Марсе составляет одну треть от земной, поддержание такой плотности атмосферы также сделает возможным полет насекомых – пчел, которые станут опылять растения. Первоначально купола будут просто находиться под давлением марсианской атмосферы (95 % диоксида углерода) с несколькими миллибарами искусственно сгенерированного кислорода, добавленного для того, чтобы обеспечить дыхание растений. Поэтому марсианские будут расти в парниковой среде, богатой двуокисью углерода, и эффективность фотосинтеза у них соответственно увеличится.
На Земле, в бедной углекислым газом среде, растения преобразуют солнечный свет в химически связанную энергию с эффективностью по меньшей около 1 %. (Общая экологическая эффективность леса или дикой степи значительно ниже, возможно, 0,1 %, но это потому, что мертвые растения разлагаются. Сами по себе растения значительно эффективнее, так что для сельскохозяйственного применения мы можем воспользоваться этим преимуществом и убирать зеленую массу до того, как она будет разложена бактериями.) Хорошая оценка эффективности фотосинтеза в среде, обогащенной углекислым газом, может составлять около 3 %. Если предположить, что купол диаметром 50 метров представляет собой правильную полусферу, получается, что растениям с такой эффективностью фотосинтеза, устилающим пол теплицы, понадобится примерно 310 дней, чтобы превратить практически весь имеющийся под куполом углекислый газ в кислород. А вот если использовать купол с линзообразной верхушкой (радиус кривизны 50 метров вместо обычных 25), время его заполнения кислородом уменьшится всего до восьми дней.
Окислитель, который, возможно, был обнаружен «Викингом» в марсианском грунте, не окажется проблемой, так как он разлагается на восстановленный материал и свободный кислород при контакте с водой. Под куполами ожидается влажная среда, и при циркуляции вода будет заставлять парниковые почвы быстро выделять запасенный ими кислород.
Мы все слышали доводы вегетарианцев в пользу отказа от употребления мяса: дескать, акр, засеянный кукурузой, может дать гораздо больше пищи для человека, чем акр, где растет трава для рогатого скота. Эти аргументы сомнительны на Земле, потому что голод на нашей планете вызван не глобальной нехваткой продовольствия, а отсутствием у голодающих денежных средств. А вот на Марсе, где, прежде чем использовать пахотную землю, ее придется создать, применяя купола и прочие приспособления, тезис вегетарианцев будет достоин внимания. Марсианскому сельскому хозяйству придется показать очень высокую эффективность. Включение в пищевую цепочку большого количества коров и быков, овец, коз, кроликов, кур и других теплокровных травоядных на самом деле очень неэффективно. Большая часть энергии растений, которую потребляют животные, идет на поддержание температуры их тела, и лишь очень малая когда-либо дойдет до вас.
Несколько лет назад некий автор написал ряд книг, в которых популяризировал идею о том, что козы способны стать ключом к животноводству в космосе. Они имеют удобные размеры, всеядны, быстро размножаются, дают молоко и т. д. Как бы то ни было, я родился в городе, но зрелые годы провел в сельской местности. Я видел, на что способны козы. Не оставляйте их рядом с вашим кевларовым куполом. Они его съедят.
С другой стороны, практически какое сельскохозяйственное растение ни возьми, люди не употребляют в пищу как минимум половину его массы. Например, в случае кукурузы, риса или пшеницы мы не едим их корни, стебли или листья. Вместо этого мы закапываем их обратно в почву, утешая себя мыслями, что тем самым поддерживаем ее плодородность. Но если бы это была наша истинная цель, мы бы лучше зарыли целое растение, иначе получается, что мы просто тратим энергию. Таким образом, если мы хотим быть эффективными, нам нужно найти способ использовать части растений, которые нельзя сразу съесть. Может, пришло время подключить к делу коз? Разве что нескольких, чтобы развлечь детей и занять службу безопасности базы, при марсианской гравитации козы будут с легкостью перепрыгивать через трехметровые заборы. Впрочем, есть идеи получше.
Одна из них – использование грибов. Так, в Университете Пердью (штат Индиана) финансируемый НАСА исследовательский центр космического сельского хозяйства выделил виды грибов, способные жить на частях растений, которые обычно идут в отходы, и превратил 70 % от их вещества в пищевой белок вроде соевого (а это уже значительно лучше, чем козы). Быстрорастущие грибы не нуждаются в свете, им достаточно темного, теплого помещения, отходов – например, стеблей кукурузы – и небольшого количества кислорода. Другими словами, вы можете содержать грибную плантацию в шкафу. Это, кстати, пример технологии, разработанной для экстремальных условий космоса и способной иметь множество применений для удовлетворения основных человеческих потребностей на Земле. Но если меню сплошь из грибов и фасоли кажется вам недостаточно разнообразным, у вас все еще есть надежда. Некоторые холоднокровные животные – такие как рыба тилапия – достаточно эффективно перерабатывают растительные отходы в высококачественный белок. Рыбные фермы на Марсе? А почему нет? Для выращивания тилапии вам не понадобится очень большой резервуар, а кроме того, рыбы не сбегут, чтобы съесть ваш купол.
Еще вам понадобятся плодоносящие фруктовые деревья. К тому же они обеспечат вас древесиной для изготовления мебели и т. п. Еще ее вместе с другими отходами растениеводства можно будет использоваться в пластмассовой промышленности, что позволит значительно увеличить разнообразие доступных материалов.
Марсианская металлургия
Возможность изготавливать металлы имеет фундаментальное значение для любой технологический цивилизации. Марс предоставляет все необходимые ресурсы. На самом деле в этом отношении он значительно богаче, чем Земля.
Сталь
Вне всяких сомнений самый доступный промышленный металл на Марсе – железо. А наиболее широко использующаяся на Земле железная руда – гематит (Fe203). Она настолько распространена на Марсе, что задает цвет Красной планеты. Восстановление гематита до чистого железа – процесс простой и, согласно Ветхому Завету и Гомеру, практикуется на Земле около трех тысяч лет. Есть как минимум два подхода, пригодных для использования на Марсе. Первый, как уже обсуждалось ранее в этой главе, основан на применении отработанного монооксида углерода – реакция (1), описанная выше, – из реактора ОКВГ.
Fe2O3 + 3 СО → 2Fe + 3CO2 (4)
В другом процессе используется водород, получаемый электролизом воды.
Fe2О3 + 3Н2 → 2Fe + 3Н2О (5)
Реакция (4) немного экзотермическая, а реакция (5) – слабо эндотермическая, так что после нагревания реакторов до начальных условий ни одному из них не потребуется много энергии для запуска. В случае реакции (5) необходимый водород можно получить путем электролиза воды, которая будет отходом других реакций, так что единственным новым сырьем для системы является гематит. Углерод, марганец, фосфор и кремний, четыре основных легирующих элемента для стали, очень распространены на Марсе. Дополнительные легирующие элементы, например хром, никель и ванадий, также имеются в солидных количествах. Таким образом, сразу после выработки железа его тут же можно будет сплавить с соответствующими количествами перечисленных элементов для получения практически любого желаемого типа углеродистой или нержавеющей стали.
Рис. 7.5. Создание базы на Марсе (рисунок Роберта Мюррея, «Марсианское общество»)
Широкая доступность на марсианской базе угарного газа – он будет отходом реакторов ОКВГ – открывает некоторые интересные перспективы для новых методов низкотемпературного литья. Например, окись углерода может быть объединена с железом при температуре 110 °C для получения карбонила железа (Fe(CO)5), который при комнатной температуре представляет собой жидкость. Карбонил железа можно вылить в форму а затем нагреть примерно до 200 °C, после чего он начнет разлагаться. Останется чистое и очень прочное железо, в то время как окись углерода выйдет в виде газа, что позволит использовать ее повторно. Также можно складывать железо слоями путем разложения паров карбонила, что позволит производить желаемые полые объекты любой сложной формы. Аналогичные карбонилы могут быть образованы окисью углерода и никелем, хромом, осмием, иридием, рутением, рением, кобальтом и вольфрамом. Эти соединения разлагаются при несколько различных условиях, что позволяет разделить смесь карбонилов металлов на чистые компоненты путем последовательного разложения [37].
Алюминий
Второй металл после стали по важности для общего пользования – это алюминий. Он довольно распространен на Марсе – примерно 4 % материала поверхности планеты по массе. К сожалению, там, как и на Земле, он большей частью представлен в виде очень сильно связанного оксида – оксида алюминия, или глинозема (Al2О3). Для того чтобы получить металл на Земле, глинозем растворяют в расплавленном криолите при 1000 °C, а затем подвергают электролизу с угольными электродами, которые расходуются в процессе, в то время как криолит остается неповрежденным. На Марсе угольные электроды могут быть получены путем пиролиза метана в реакторе Сабатье, который уже описывался в главе 6.
Al2О3 + 3С → 2Al + 3СО (6)
Помимо сложности реакции (6), главная проблема с ее использованием для производства алюминия заключается в том, что она очень эндотермическая. Для получения одного килограмма алюминия нужно затратить около 20 кВт. ч электрической энергии. Вот почему земные заводы по производству алюминия находятся в районах, где энергия очень дешева, например в северо-западной части тихоокеанского побережья США. На Марсе в период строительства базы энергия будет дорогой. При потребности в 20 кВт. ч на килограмм ядерный реактор мощностью в 100 кВт позволит производить всего около 123 килограмма алюминия в день. Поэтому основным материалом, используемым для создания высокопрочных конструкций на Красной планете, станет вовсе не он – а сталь. Из-за меньшей силы тяжести на Марсе она будет весить примерно столько же, сколько алюминий на Земле. Сам же алюминий придется использовать лишь там, где он необходим по причине своей высокой электропроводности и/или легкости, например при изготовлении электропроводки или компонентов приборов для летательных аппаратов.
Кремний
В современную эпоху кремний стал, возможно, третьим по важности металлом после стали и алюминия – ведь это ключевой материал для производства всей электроники. Он будет еще более значимым на Марсе, потому что, добывая кремний, мы сможем производить фотоэлектрические панели, тем самым постоянно увеличивая добычу электричества на базе. Сырье для этого – диоксид кремния (SiO2) – по массе составляет почти 45 % от марсианской коры. Чтобы получить кремний, нужно смешать его диоксид с углеродом и нагреть в электропечи.
SiO2 + 2С → Si + 2СО (7)
Опять же, мы видим, что восстанавливающий элемент, углерод, – это побочный продукт системы производства топлива на марсианской базе. Реакция (7) высоко эндотермическая, хотя далеко не такая затратная, как реакция восстановления оксида алюминия (6), а расходы энергии на нее даже отдаленно не сопоставимы с таковыми в случае (6).
Кремний как продукт реакции (7) достаточно хорош для некоторых целей. Например, его можно использовать, чтобы сделать карбид кремния, весьма термостойкий материал (он использовался в обшивке, защищавшей шаттлы от перегрева при входе в атмосферу). Однако очевидно, что даже малейшее количество гематита, присутствующего в исходном сырье для реактора, также будет восстановлено, в результате чего в кремнии окажутся железные примеси. Для получения чистейшего кремния, достаточно хорошего для микросхем и солнечных панелей, необходим еще один шаг: купание полученного загрязненного кремниевого продукта в горячем газообразном водороде. В результате кремний превратится в силан (SiH4). При температуре не ниже комнатной он представляет собой газ, так что его легко можно отделить от гидридов других металлов, все из которых являются твердыми. Затем нужно перегнать силан в другой реактор и разложить при высоких температурах – получится чистый кремний и свободный водород, который снова пойдет на очистку. Такой кремний уже можно легировать фосфором или другими примесями, чтобы произвести именно тот полупроводниковый прибор, который требуется.
Можно не разлагать силан, а сжижать его для длительного хранения, охлаждая до -112 °C. Это всего на 20 °C ниже типичных марсианских ночных температур. Для чего нужно хранить жидкий силан? Дело в том, что он горит в диоксиде углерода. Практически все топливные смеси, которые мы обсуждали до сих пор, например метаново-кислородная, предполагают перевозку в топливных баках и топлива, и его окислителя. На Земле так поступать не принято. На Земле вне зависимости от того, сжигаете вы бензин в автомобиле или дерево в камине, вам всего лишь нужно подать топливо, а окислителем послужит кислород из воздуха. Поскольку обычно окислитель составляет около 75 % от реагирующей смеси, последний упоминавшийся подход явно будет гораздо более эффективным. В атмосфере Марса очень мало свободного кислорода, она почти полностью состоит из углекислого газа. Не многие вещества могут гореть в углекислом газе, но силан точно на такое способен:
SiH4 + 2CO2 → SiO2 + 2С + 2 Н2O (8)
В реакции (8) 73 % массы топлива – диоксид углерода, и только 27 % – силан. Некоторые из продуктов реакции (8) являются твердыми, потому эту систему нельзя использовать в двигателе внутреннего сгорания. Но она вполне сгодится, чтобы разжечь котел паровой машины. Для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) или для ракетных двигателей она также будет вполне хороша. Ракетный двигатель, работающий на силане и диоксиде углерода согласно реакции (8), может производить удельный импульс около 280 секунд. На первый взгляд это не очень впечатляет, пока вы не осознаете, что при себе вам достаточно иметь только 27 % массы топлива. Представьте себе небольшое прыгающее транспортное средство, которое неоднократно взлетает и совершает посадку, доставляя телеробота к какому-то количеству выбранных мест, разделенных непроходимой территорией. Такому устройству не нужно будет нести на борту все необходимое топливо. Вместо этого оно сможет производить дозаправку диоксидом углерода, просто запуская насос после посадки. В результате эффективный удельный импульс этой системы составит не 280 секунд, а 280 секунд, умноженные на отношение общего количество топлива к количеству силана, то есть на 3,75. В итоге получится значение 1050 секунд, неслыханное для химических реактивных двигателей.
Гидрид бора, или диборан (В2Н6), также способен гореть в двуокиси углерода с удельным импульсом 300 секунд в пропорции 1:3 соответственно [37]. Ракетный прыгун на диборане и диоксиде углерода будет иметь, таким образом, эффективный удельный импульс 1200 секунд, это еще лучше, чем у системы на силане и диоксиде углерода, которая обсуждалась выше. Однако бор на Марсе редок, в то время как кремний встречается везде, а процессы, требующиеся для производства диборана, довольно сложны. Небольшие количества диборана можно импортировать на Марс в начале программы, чтобы обеспечить высокую производительность применений прыгуна (использование системы на этом топливе будет лучшим вариантом, например, для выполнения роботизированной миссии по возвращению проб марсианского грунта), но к моменту существования базы, где будет возможность производить силан, местный продукт почти наверняка вытеснит привозной диборан.
Неоднократно предлагалось производить кремний на Луне, чтобы изготавливать прямо там большое количество солнечных батарей. Эта идея имеет серьезные недостатки. Да, совершенно верно, диоксид кремния очень распространен на Луне, лучшего пожелать нельзя, но углерод и водород, необходимые для его превращения в чистый металл, отсутствуют. Хотя в описанных выше процессах эти реагенты используются повторно, в действительности всегда есть потери. Если вы хотите производить металлический кремний или любой другой металл на Луне, в конечном итоге вам придется завозить много углерода и водорода. На Марсе, напротив, оба этих элемента доступны в естественных условиях.
Медь
В качестве последнего примера получения ключевого промышленного металла на марсианской базе рассмотрим медь. На Луне ее нет, а вот в SNC-метеоритах ее удалось обнаружить примерно в тех же концентрациях, что и в почве на Земле. Однако они довольно низки, всего около 50 частей на миллион. Если вы хотите получить сколько-нибудь значительные количества меди, вам не удастся извлечь ее из почвы. Вместо этого вам придется искать участки, где природа сосредоточила металл в виде руды. В коммерческом плане наиболее важными источниками медной руды на Земле служат сульфиды меди. Как мы уже видели, сера гораздо более широко распространена на Марсе, нежели на Земле, и вероятно, что месторождения медных руд имеются на Красной планете в виде залежей сульфидов меди, сформировавшиеся на основе лавовых потоков. После обнаружения руды медь легко можно будет восстановить выплавкой или выщелачиванием, как это практикуется на Земле с древних времен.
Приведенный пример доказывает тот факт, что, в общем, единственный способ доступа к геохимически редким элементам – добыча местных концентраций богатых минеральных руд. Однако найти руды удастся только там, где проходили сложные гидрологические и вулканические процессы, которые сосредоточили элементы в рудных месторождениях, а в пределах Солнечной системы такие процессы имели место только на Земле и Марсе. Таким образом, у нас должна быть возможность найти на Красной планете концентрированные руды почти любого металла, редкого или распространенного, который понадобится нам для построения современной цивилизации.