Энергетика марсианских колоний

Введение

Тема создания обитаемых баз на Марсе сохраняет свою актуальность. У будущих переселенцев, наряду с проблемами перелета, много нерешенных проблем с энергетическим обеспечением. У землян есть нефть, газ и уголь. А марсианские колонисты, даже если изыщут запасы углеводородов, не смогут использовать их в атмосфере из углекислого газа. На Марсе нет свободного кислорода, его надо получать искусственно – тратить энергию из других источников. Такими возможными источниками на данный момент считаются фотоэлектрические преобразователи и ядерные электростанции.

Для транспортных средств колонистов – ракет, самолетов и роверов - эквивалентами нефти, газа и угля будут алюминий и магний: они хорошо горят в атмосфере из углекислого газа . Вода, которая в изобилии имеется на Марсе, также поддерживает горение этих металлов. Тем не менее алюминий и магний придется получать искусственно, так как на Марсе нет естественных залежей этих химически активных металлов. Энергию для производства металлического топлива придется получать от солнечных и ядерных электростанций. В условиях Марса такие источники энергии не самые лучшие – есть и другие возможности.  Проект Martian Powerlune показывает новые перспективы.

Утилизация энергии, аккумулированной в гравитационном поле Марса, для снабжения исследовательских и промышленных баз.

Солнечный свет на Марсе – неэффективный источник энергии. Здесь солнечное излучение в 2,5 раза слабее, чем на Земле. Длительные пылевые бури еще больше ухудшают возможности использования солнечного света, осложняя эксплуатацию ветровой эрозией и запылением солнечных батарей. Долговременное присутствие людей на Марсе солнечные батареи обеспечат, но не будут способствовать быстрому развитию колоний. С большим эффектом солнечный свет мог бы утилизироваться на спутниковых солнечных электростанциях (ССЭС), аналогичных станциям, которые разработаны для Земли . Производимая ССЭС энергия может вырабатываться и транслироваться на поверхность Марса к базам колонистов оптоволоконными лазерами с солнечной накачкой – низкая плотность атмосферы позволяет реализовать такой высокоэффективный способ.

С позиции расширения присутствия людей на Марсе применение ядерных энергоустановок также будет сдерживающим фактором. Месторождения сырья для ядерного топлива неизвестны, поэтому колонии будут нуждаться в поставках с Земли. Возможно, ядерная энергия с большей эффективностью применялась бы на Марсе в виде промышленных «подземных» ядерных взрывов, на основе лунного проекта Краффта А. Эрике . Один такой «подземный» взрыв обеспечит марсианскую колонию дешевыми запасами кислорода, кремния и металлов в количестве более 10 000 тонн. Не все ядерные государства подписали соглашение о запрете ядерных испытаний в космосе, поэтому взрывная ядерная энергетика возможна на Марсе.

Ядерные взрывы под марсианской поверхностью могут быть заменены экологически безопасными ударами пенетраторов, которые изготовлены из вещества астероидов и спутников Марса и применяются по технологии Moontrap, разработанной для Луны и других спутников планет Солнечной системы . Мощность ударов космических пенетраторов соизмерима с мощностью тактических ядерных зарядов, но может быть сильно минимизирована для локального промышленного применения.

Удары пенетраторов по технологии Moontrap могут быть с большим эффектом и удобством применены не на Марсе, а на Фобосе и Деймосе. Отсутствие атмосферы устраняет аэродинамические и другие помехи для прецизионного наведения пенетраторов на мишень. За счет кинетической энергии пенетраторов, переданной мишени, выделяется тепло, которое используется для производства электроэнергии и термохимической переработки сырья Фобоса и Деймоса. Продукция в виде алюминия, магния, железа, кремния, графита и полимера диоксида триуглерода переправляется к колонистам – сбрасывается в одноразовых капсулах на Марс. Для этого используются термозащитные капсулы с аэродинамическим качеством для управляемого спуска, которые изготовлены из местных материалов – пенокерамики из кремнезема, углерода и металлов. Избытки энергии также транслируются на Марс лазерным излучением. При этом затраты энергии на высвобождение потенциальной энергии вещества Фобоса и Деймоса, запасенной природой в гравитационном поле Марса, составляют всего несколько процентов от полученной энергии.

Экзотермические реакции, подходящие для энергоснабжения колоний на Марсе на основе продукции, поставляемой промышленными базами на Фобосе и Деймосе:

алюминий или магний плюс углекислый газ;

алюминий или магний плюс вода;

алюминий или магний плюс магнетит или гематит;

кремний плюс магнетит или гематит;

монооксид углерода плюс магнетит или гематит;

монооксид кремния плюс углерод.

В энергобаланс колоний основной вклад, по-видимому, будет вносить алюмоэнергетика. Порошковый алюминий – удобный вид горючего для вездеходов, марсианских самолетов и гиперзвуковых челночных аппаратов. На маршрутах движения при помощи планирующих капсул создаются участки-склады металлического горючего.

Основа извлечения потенциальной энергии спутников Марса – регулярные запуски грузовых космических аппаратов (КА) с баз Фобоса и Деймоса на ретроградные орбиты. Аппарат выводится на высокоэллиптическую орбиту и в апоцентре (на границе сферы действия Марса) с минимальными затратами импульса меняет направление движения на противоположное. В перицентре ретроградной орбиты происходит сближение КА с Фобосом или Деймосом. Груз в виде пенетратора направляется на мишень – ловушку пенетраторов и сбрасывается.

Ловушка (коллектор) заполнена углеродосодержащим реголитом и является высокотемпературным аккумулятором тепла. Теплообменная система теплового аккумулятора испаряет рабочее тело, которое приводит в движение турбогенератор, подключенный к потребителям электроэнергии. Схема работы энергосистемы показана на рис. 1.

Рис. 1. Энерготранспортная система Moontrap на лунах Марса

1 – КА;

2 – пенетратор;

3 – радиооптический маяк прецизионного наведения КА на цель;

4 – ловушка грузов (коллектор) и тепловой аккумулятор;

5 – турбина, использующая нагретый газ или водяной пар (рабочее тело) из теплового аккумулятора;

6 – электрогенератор;

7 – холодильник-излучатель (радиатор);

8 – трубопровод возврата рабочего тела в теплообменник;

9 – поверхность Фобоса.

КА движется навстречу спутнику с относительной скоростью, приблизительно в 2,4 раза превышающей местную круговую, тогда как его запуск совершается со скоростью, которая приблизительно на 0,4 раза больше местной круговой. Разница в кинетической энергии положительна – система производит больше энергии, чем затрачивает. КА без груза совершает обратный маневр – переходит с ретроградной орбиты на проградную и возвращается на базу для перезарядки. Без учета потерь на смену направления орбит в апоцентре энергетический выигрыш превышает затраты в 36 раз в случае системы с одним спутником. В системе с двумя спутниками выигрыш возрастает – до 63 раз превышает затраты.

Расход ракетного топлива на старт грузовых КА со спутников Марса существенно сокращается при использовании разработки Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) – тросовой пращи, варианта механической катапульты для разгона и торможения КА на околоземной орбите. . Проект ИКИ РАН обеспечивает изменение скорости КА на величину до 2000 м/с. Катапульты, размещенные на спутниках Марса, проще в исполнении и обслуживании, чем варианты с орбитальным базированием. Требуемые скорости запуска – 522 и 861 м/с.

В качестве ракетного топлива возможно применение пероксида водорода и синтезированного из метана высококипящего углеводородного горючего, аналогичного синтину или RJ-5. Эти компоненты топлива длительного хранения могут быть получены из местного сырья – гидросиликатов, богатых углеродом. Свойства компонентов соответствуют условиям длительного полета КА к условной границе сферы действия Марса.

Системы Деймос – Деймос и Фобос – Фобос

Старт с Деймоса к границе сферы действия Марса требует прироста скорости в 522 м/с (1873 м/с – 1351 м/с). В апоцентре на расстоянии 578 тыс. км (от барицентра) скорость КА – 76 м/с. Здесь КА полностью тормозится реактивными двигателями, а затем разгоняется в противоположную сторону. Изменив скорость в итоге на 152 м/с, КА переходит на ретроградную орбиту. В перицентре орбиты он идет навстречу Деймосу с относительной скоростью 3224 м/с (1873 м/с + 1351 м/с), сбрасывает груз в форме пенетратора в ловушку на Деймосе и в обратной последовательности возвращается на перезарядку. Тепловой бонус – 5,2 МДж/кг. Схема работы системы показана на рис. 2a.

Рис 2. Системы Деймос – Деймос и Деймос – Фобос:

1 – точка разворота КА и перехода на ретроградную орбиту;

2 – Марс;

3 – Фобос;

4 – точка сброса пенетратора в коллектор;

5 – Деймос;

6 – точка старта КА.

Аналогичная система также реализуема на Фобосе. Стартовая скорость 861 м/с (2998 м/с – 2137 м/с). В апоцентре – 49 м/с. В перицентре столкновение с относительной скоростью 5135 м/с (2998 м/с + 2137 м/с). Бонус – 13,18 МДж/кг.

Система Деймос – Фобос

Старт с Деймоса к границе сферы действия Марса производится со скоростью 522 м/с. В апоцентре КА выдает тормозной импульс – 76 м/с – и обнуляет орбитальную скорость. Добавочный импульс в 49 м/с переводит КА на ретроградную орбиту, ведущую к Фобосу. Суммарный импульс на смену орбиты составляет 125 м/с. В перицентре орбиты он идет навстречу Фобосу с относительной скоростью 5135 м/с и сбрасывает пенетратор в ловушку. Тепловой бонус – 13,18 МДж/кг. Выход энергии в 63 раза превышает затраты. Схема работы системы показана на рис. 2б.

Система Деймос/Фобос – искусственный спутник Марса

Работа системы основана на сбросе грузов с базы на Деймосе на коллектор грузов, размещенный на круговой орбите искусственного спутника Марса (ИСМ) высотой 500 км. Скорость ИСМ – 3318 м/с. Сброс грузов происходит с двух направлений – с ретроградной орбиты и с проградной. Старт с Деймоса, как обычно, происходит со скоростью 522 м/с. При столкновении пенетратора с ловушкой грузов на ИСМ результирующая скорость столкновения равна 7995 м/с (4677 м/с + 3318 м/с) при движении КА по ретроградной орбите. При столкновении на проградной орбите результирующая скорость равна 1359 м/с (4677 м/с – 3318 м/с). Для обеспечения равенства импульсов на каждый 1 кг грузов, поглощенных ловушкой от ретроградного КА, приходится 5,883 кг грузов от проградного КА. Выделение тепла от грузов, поступающих с ретроградной орбиты – 31,96 МДж/кг. Среднее тепловыделение от грузов с обеих орбит составляет 5,433 МДж/кг. Схема работы показана на рис. 3.

Рис. 3. Система Деймос – ИСМ

3а:

1 – точка старта КА;

2 – Деймос;

3 – Фобос;

4 – ИСМ;

5 – точка сброса пенетратора с проградного КА;

6 – точка сброса пенетратора с ретроградного КА;

7 – Марс;

8 – точка разворота КА и перехода на ретроградную орбиту;

3б: обозначения соответствуют обозначениям на рис. 1.

Орбитальный коллектор способен дополнительно принимать груз с Фобоса. Передача грузов с промышленных баз естественных спутников Марса на ИСМ является частью транзита продукции из космоса для колоний на Марсе. В перспективе, при возможном открытии какого-либо ценного ресурса и возникновении необходимости недорогого экспорта с Марса, ИСМ с коллектором способен принимать грузы, забрасываемые суборбитальным ракетами.

Технологии переработки сырья спутников Марса

Известные способы выделения алюминия и магния основаны на электролизе их соединений. Использование электроэнергии на первом этапе промышленного освоения космических ресурсов нежелательно из-за большой массы оборудования. Для магния существует и другой способ получения — термический, требующий более простой аппаратуры. В этом случае для восстановления оксида магния при высокой температуре используют кремний или углерод. Реакция с кремнием требует нагрева до 1100-1200 ºС, с углеродом – больше 2000 ºС. Такой неэлектрический способ полностью подходит для технологии получения тепла в системе Moontrap.

Получение алюминия термическим способом на основе восстановления его окиси углеродом, однако, дает в основном карбид алюминия, а не металл. Получения алюминия из карбида возможно при реакции с водородом при температуре 2200 ºС, что также соответствует возможностям системы Moontrap. Вместе с тем карбид алюминия также может использоваться в двигателях марсианского транспорта вместо алюминия при реакциях с СО₂ и Н₂О. На межорбитальных буксирах, обеспечивающих перемещение грузов между спутниками Марса, порошковый карбид алюминия может использоваться как горючее в паре с пероксидом водорода.

Производство кремния на базах лун Марса позволит использовать его в топках двигателей колесного транспорта на поверхности планеты.

Производство кремния на базах лун Марса также актуально, так как колесные транспортные средства на поверхности планеты могут использовать кремний в топках двигателей. Окисление кремния возможно за счет кислорода, содержащегося в оксидах железа из марсианской почвы. На марсианских спутниках промышленное восстановление кремния из его оксидов возможно местным углеродом при температуре около 1800 °C за счет тепла, образуемого в системе Moontrap.

В основе пород Фобоса и Деймоса находятся гидросиликаты и соединения металлов – это ресурсы, продукты переработки которых спутниковые промышленные базы дадут колониям на Марсе.

Возможности промышленного производства горючего для марсианских баз подтверждаются данными о составе Фобоса и Деймоса. Космический аппарат «Фобос-2» зафиксировал стабильные выбросы газа с Фобоса. Фобос самый темный из известных планетных спутников. Вероятно, Фобос – это астероид, состоящий из смеси льда и темных богатых углеродом скальных пород С-типа. На Деймосе толстый слой пыли покрывает всю поверхность спутника. Плотности спутников столь низки, что они, вероятно, являются смесью скал и льда. Длительные споры о химическом составе спутников Марса на основе спектральных характеристик благодаря экспериментам с модельным грунтом разрешились в пользу предположения об их составе из углистых хондритов типа СМ и, возможно, СI . В основе пород спутников находятся гидросиликаты и соединения металлов – это ресурсы, продукты переработки которых спутниковые промышленные базы дадут колониям на Марсе.

Заключение

Использование потенциальной энергии планетных спутников решает проблему энергообеспечения станций и баз, значительно удаленных от Солнца. Система утилизации потенциальной энергии естественных спутников, аккумулированной в гравитационном поле планет, может работать не только за счет энергии Фобоса и Деймоса, но и энергии Луны, накопленной в земном гравитационном поле. В марсианской системе выход энергии в 63 раза превышает затраты, а в околоземной лунной системе - в 9 раз. Соответственно, освоение лунных марсианских энергетических ресурсов в 7 раз выгоднее освоения лунных околоземных.

Системы лун Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна изначально имеют группы спутников, обращающихся по ретроградным орбитам. Поэтому ресурсы планет-гигантов самой природой подготовлены для легкого промышленного использования. Там использование солнечной энергии затруднено, а эксплуатация ядерных электростанций осложнена отсутствием разведанных месторождений ядерного топлива. К примеру, в системе лун Юпитера скорость пенетратора со спутника Эрейне относительно коллектора на спутнике Метида составляет 75,31 км/с, что дает эквивалент 96,8 т условного топлива на 1 т массы пенетратора или в тротиловом эквиваленте 678 т ТНТ. При этом энергозатраты составляют всего 0,016% от результата. Таким образом, энергосистема Powerlune и транспортная Moontrap на первых этапах колонизации космоса станут основой внеземных колоний.

Промышленные базы на лунах Марса способны стать опорой индустриализации Луны. Углерод на Луне – дефицитное сырье. Поставлять его с Земли на порядки дороже поставок с Фобоса и Деймоса. При необходимости лунный алюминий и магний также могут отправляться прямо на Марс. Таким образом, экономика космоса может сложиться как товарообмен внутри тетрады колоний Луны, Фобоса, Деймоса и Марса.

Скачать PDF

© Майборода А.О., 2019

История статьи:

Поступила в редакцию: 18.10.2019

Принята к публикации: 20.11.2019

Модератор: Гесс Л.А.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования:

Майборода А.О. Энергетика марсианских колоний // Воздушно-космическая сфера. 2019. №4. С. 38-45.