Должно быть очевидно, что доступность больших количеств тепловой и электрической энергии – необходимое условие для строительства основательной марсианской базы. Может быть, так не принято говорить, но, безусловно, лучший способ обеспечить эту энергию в первые годы – импорт готовых ядерных реакторов. На Земле сегодня основными источниками энергии для нашей цивилизации являются ГЭС, АЭС, а также ископаемое топливо и древесина для сжигания. Геотермальное тепло когда-нибудь станет четвертым источником, а вот солнечная энергия и энергия ветра стоят далеко позади него по значимости и играют очень незначительные роли. На Марсе гидроэлектростанции и сжигание ископаемого топлива использовать невозможно. В долгосрочной перспективе окажется доступна энергия термоядерного синтеза, поскольку отношение дейтерия (тяжелого изотопа водорода, который необходим как топливо для термоядерных реакторов) к обычному водороду, найденному на Марсе, в пять раз выше, чем на Земле. К сожалению, термоядерных реакторов в настоящее время не существует. Это значит, что ядерная энергетика остается единственным вариантом для получения больших объемов энергии в начале колонизации Марса.
Ядерный реактор, способный производить 100 кВт электрической и 2000 кВт тепловой энергии круглосуточно в течение 10 лет, должен весить около 4000 килограммов – всего 4 тонны, – то есть он будет достаточно легким, чтобы привезти его с Земли. В противоположность этому, массив солнечных батарей, способный произвести то же количество электрической энергии при круглосуточной работе (и всего 1/20 часть тепловой энергии) в течение примерно того же срока службы, будет весить около 27000 килограммов и займет площадь в 6600 квадратных метров (около 2/3 футбольного поля). Если мы захотим получить то же количество тепловой энергии (для изготовления кирпичей и производства воды), нам понадобится солнечная батарея, весящая 540 000 килограммов и занимающая 13 футбольных полей. Очевидно, на это уйдет слишком много материала, который придется везти с Земли. Преимущество ядерной энергетики для освоения Марса огромно – настолько велико, что нынешнюю неспособность американской политической элиты профинансировать эффективную программу исследований и разработки космических ядерных электростанций можно только осуждать в самых жестких выражениях. Если мы откажемся от атомной и ядерной энергетики, мы откажемся от целого мира.
Если энергоснабжение на начальных этапах освоения Марса должно быть основано на ядерных источниках, то после постройки полноценной базы условия, вероятно, изменятся. В какой-то момент должна появиться возможность построить солнечные энергетические системы из местного сырья. Если вы живете на Марсе, то добыть сотни тонн местных материалов будет гораздо легче, чем импортировать четыре тонны оборудования с Земли.
Использование энергии Солнца и ветра
Есть два вида солнечных энергетических систем, которые могут быть изготовлены на Марсе: динамические и фотоэлектрические. Первые, также называемые гелиотермальными, являются низкотехнологичными. Принцип их работы основан на использовании параболического зеркала. Оно концентрирует солнечный свет на бойлере, где жидкость нагревается и расширяется, запуская турбинный генератор. Эти системы могут иметь довольно высокую эффективность (около 25 %), но на сегодняшний день они не получили широкого применения в космической программе, так как из-за того, что в них используются движущиеся части, многие считают их ненадежными. Однако на постоянной марсианской базе люди все время будут находиться поблизости, чтобы поддерживать работу систем солнечных батарей и ремонтировать неисправное оборудование. В этом случае аргумент надежности, выдвигаемый против динамических систем, становится значительно менее убедительным.
Более того, поскольку они будут представлять собой низкотехнологичные конструкции из зеркал, котлов и прочих подобных элементов, относительно легко увидеть, что из этого возможно изготовить на Марсе. Например, зеркала делаются из пластика, покрытого очень тонким слоем алюминия для увеличения отражательной способности. Трубы, котлы, вал турбины и лопасти можно выполнить из стали. Чтобы в действительности достичь уровня эффективности в 25 %, турбины придется изготовить с допусками, слишком точными для марсианской базы. Впрочем, это не проблема: при необходимости легко можно будет принять более низкие допуски и смириться с эффективностью в 15 %. В дополнение к этим преимуществам динамические системы также позволяют получить большое количество полезного тепла, возможно, в четыре-шесть раз превышающего их электрическую мощность.
Солнечные динамические системы, однако, требуют чистого неба. Для того чтобы параболические зеркала эффективно концентрировали свет, весь он должен приходить из одного и того же места – непосредственно от Солнца. Он не может исходить от диффузных источников, размазанных по всему марсианскому небу. На основании данных, полученных «Викингом», достаточного количества погожих дней для эффективной работы солнечных динамических систем можно ожидать только в течение северной весны и лета. В оставшуюся половину года зеркала, вероятно, станут давать очень мало энергии. Такие сезонные колебания могут быть приемлемы для некоторых целей. Не обязательно производить металлы круглый год. Но если солнечной энергии суждено стать основным источником питания базы, потребуются более надежные технологии.
Потенциально таковыми станут фотоэлектрические панели. Как мы видели, ключевой материал для их изготовления, чистый металлический кремний, может быть произведен на Марсе, равно как алюминий или медь для проводки в этих системах и пластмассы для электроизоляции. Чтобы сократить затраты, можно использовать упрощенные способы изготовления солнечных панелей в виде больших отдельных листов, недавно разработанные для использования на Земле. Такие методы, примененные на Марсе, вполне могут сделать осуществимым крупномасштабное местное производство фотоэлектрических систем. Вероятно, вы удивитесь, но производительность этих источников энергии на Марсе падает совсем незначительно, когда небо затягивают облака [38, 39]. За исключением очень сильных бурь, количества пыли, типичные для северного осеннего и зимнего неба, рассеивают, а не блокируют большую часть солнечного света. Фотоэлектрические панели, в отличие от солнечных динамических отражателей, хорошо функционируют вне зависимости от направления падающего света. Таким образом, они должны работать на Марсе круглый год. Их эффективность низкая, всего около 12 %, и в процессе не удастся получить тепловую энергию, превосходящую электрическую, но с этим придется смириться. Производительность панелей может значительно ухудшаться из-за пыли, которая будет осаждаться на них. Их придется чистить вручную или же оснастить систему чем-то вроде автомобильных «дворников».
Возможности использования ветра – еще одно дополнение к энергетической системе базы. Ветряные мельницы работали на Земле в течение многих столетий, низкотехнологичная природа делает их привлекательными для производства на марсианской базе. Да, пылевые бури планетарного масштаба случаются не периодически и, следовательно, бесполезны как реальный источник энергии. Более того, поскольку давление марсианской атмосферы в сто раз меньше такового на Земле, скорости ветра на поверхности Марса, измеренные на местах высадки модулей миссии «Викинг», были близки всего к 5 метрам в секунду, что подразумевает незначительный потенциал энергетики с использованием этого источника. Однако типичные потоки на приличных высотах над поверхностью имеют скорость около 30 метров в секунду, что позволяет вырабатывать такое же количество энергии на единицу площади ветряных установок, как при ветре в 6 метров в секунду на Земле. Это уже вполне приемлемо. Значит, ключевой параметр для практичных ветряных мельниц – высота размещения над поверхностью: мельница должна оказаться над неподвижным поверхностным слоем атмосферы. В настоящее время эта высота неизвестна, и ответ, несомненно, в любом случае варьируется в зависимости от места на Марсе. Какой бы большой ни оказалась высота, следует помнить, что на Красной планете мы будем возводить ветряную мельницу при силе тяжести в 38 % от земного значения, и, возможно, практичнее окажется построить ветряные башни, непривычно высокие на взгляд землянина.
Генерация геотермальной энергии
Примерно с 1930 года начальные и средние школы-интернаты в сельских районах Исландии по возможности располагали там, где доступна геотермальная энергия. В таких центрах школьные здания и жилые помещения для учеников и сотрудников отапливаются с помощью геотермальных источников. Также они, как правило, оборудованы бассейнами и сами обеспечивают себя овощами (томатами, огурцами, цветной капустой и т. д.), выращенными в собственных теплицах. Сейчас в различных частях страны есть множество таких школ, и довольно часто они используются в качестве туристических отелей в летние каникулы. Нередко эти центры становятся ядрами новых волонтерских общин в сельских районах.
С. С. Эйнарсон. Геотермальное теплоснабжение местности, 1973
С помощью солнца и ветра, используя оборудование марсианского производства, можно получить десятки или даже сотни киловатт электроэнергии. Эти методы кажутся привлекательными, поскольку энергетические системы могут быть развернуты и запущены почти в любом месте, позволяя производить электроэнергию нецентрализованно. Это окажется очень кстати на Марсе, так как отпадет необходимость снабжать энергией далекие объекты в период, пока не будет выстроена энергопередающая инфраструктура. Тем не менее эти источники дают довольно скромные объемы энергии, а потому приходится искать более мощные альтернативы. Как выяснил британский ученый Мартин Фогг [40], такой вариант доступен на Марсе в виде геотермальной энергии.
Она генерируется благодаря высоким температурам недр планеты, достаточным для того, чтобы вскипятить жидкость – например, воду, – а затем использовать пар для запуска турбины генератора. На Земле геотермальная энергия – четвертая по значимости после сжигания топлива, гидроэлектростанций и АЭС, она обеспечивает около 11000 МВт, или 0,1 % всей энергии, потребляемой человечеством. Жители Исландии получают большую часть используемой ими энергии – более 500 МВт – из тепла земных недр.