Пилотируемые экспедиции на Марс столкнутся с серьезной проблемой: людям и технике нужна будет вода. Везти все необходимое с Земли дорого и практически невозможно. Поэтому колонистам придется добывать воду на месте, используя ресурсы Красной планеты. Уже известно, что на Марсе вода существует в разных формах: как лед под поверхностью планеты, влага в самом марсианском грунте и даже водяной пар в тонкой атмосфере. Но насколько реально получить воду из этих источников и какой способ эффективнее пока неясно.
Исследовательская группа из Глазго представила сравнительный анализ технологий добычи воды на Марсе. Они сравнили два основных подхода: добычу воды из марсианского грунта и сбор воды из атмосферы. Также была изучена их практическая применимость в будущих экспедициях.
Под грунтом Марса понимается поверхностный слой породы, часто сухой и измельченный в пыль. Тем не менее под тоннами этого песка может скрываться лед. Орбитальные аппараты и марсоходы нашли признаки залежей льда, особенно ближе к полярным и умеренным широтам Марса. Такой подповерхностный лед — наиболее богатый источник воды, доступный на планете.
Подповерхностный лед считается самым перспективным долгосрочным источником воды. В идеальном случае колонисты могли бы пробурить грунт, добыть лед и растопить его с относительно небольшими энергетическими затратами. Например, предварительные оценки показали, что на извлечение 1 кг воды из богатого льдом грунта может потребоваться порядка 13 около 3.6 кВт/ч, то есть не больше, чем расходует бытовой электрочайник за пару часов работы.
Однако, есть нюанс: там, где удобнее сажать первые экспедиции, может не оказаться льда под ногами. На экваторе и в низких широтах Марса, где теплее и проще условия для техники, вероятнее всего нет доступного льда. Богатые льдом области расположены на высоких широтах, ближе к полярным регионам, куда высадиться сложнее из-за холода и других факторов.
Поэтому рассматриваются и другие варианты, например, нагрев марсианского грунта, чтобы выпарить и собрать содержащуюся в нем влагу, которая присутствует в виде льда или гидратированных минералов. NASA экспериментировало с такими технологиями — от буровых установок для сверления промерзшего грунта до печей, способных выпаривать воду из марсианской породы. Но эффективность этих методов зависит от содержания воды в конкретном месте. Грунт может оказаться слишком сухим, и тогда даже мощное нагревание даст считанные граммы воды.
Добыча воды из грунта требует массивного оборудования и энергии, но при удачном выборе места способна обеспечить большие объемы. Если колония расположится над запасами льда, эта технология станет основным «водопроводом» для марсианских поселенцев. К тому же, воду из грунта можно получать непрерывно, накапливая запасы.
Практически все планы марсианских баз делают ставку на воду из грунта. Этот способ исторически считался надежнее и экономичнее, чем работа с атмосферой. Тем не менее привязка к конкретному месту, сложности бурения и энергозатраты на разогрев пород — серьезные минусы. В случае поломки буровой установки или истощения местного запаса льда база может остаться без воды. По этой причине ученые ищут резервные и дополнительные способы водоснабжения.
Такой резервной системой может стать сбор воды из марсианской атмосферы. Она содержит водяной пар, хотя и в очень малой концентрации — в среднем всего около 0,03%. Земной воздух в пустыне содержит в десятки раз больше влаги. Марсианский воздух также крайне разреженный, поэтому получение воды «из воздуха» — непростая задача.
Идея состоит в том, чтобы извлечь рассеянную атмосферную влагу, например, охлаждая воздух до конденсации капель или пропуская его через специальные гигроскопичные материалы, впитывающие воду. Подобные технологии существуют на Земле, но на Марсе все осложняется низкой температурой и влажностью
Ранние оценки были неутешительны. Расчеты показали, что на конденсацию 1 кг воды из марсианской атмосферы может уйти колоссальные 100 кВт/ч — столько электричества потребляет средний обогреватель за четыре суток непрерывной работы. Выходило, что атмосферный метод в 20–30 раз энергорасточительнее и он не рассматривался всерьез.
Однако, у этого метода есть и плюсы, которые вновь привлекли к нему внимание. Прежде всего — универсальность и гибкость. Атмосферная вода хоть и «размазана» тонким слоем по всей планете, доступна повсюду. Для ее сбора не требуется выбирать участок с определенной геологией или бурить метровые скважины. Теоретически небольшие установки-поглотители влаги можно ставить где угодно, даже рассредоточить вокруг базы. Новое исследование подчеркивает, что системы атмосферного сбора проще по устройству и могут работать практически в любых регионах, куда, возможно, не дотянутся буровые установки.
За эту простоту приходится платить энергией. Атмосферные системы потребляют больше мощности, чем установки для грунта. Тем не менее они способны стать полезным вспомогательным источником чистой воды, децентрализованным и независимым от рельефа. Например, компактные сборщики влаги могли бы снабжать водой отдаленные выездные группы астронавтов или поддерживать базу, расположенную в сухом районе, где с бурением не сложилось. Особенно ценен такой резерв в чрезвычайных ситуациях - если основной источник воды внезапно выйдет из строя, атмосферные «ловушки» влаги могли бы временно его подстраховать.
Таким образом, по расчетам собирать воду из атмосферы в больших количествах трудно, поэтому на одну такую технологию полагаться не стоит. Добыча воды из воздуха на Марсе вряд ли сможет стать основным источником, но вполне имеет потенциал в роли дополнительного.
Оба рассматриваемых подхода имеют свои сильные и слабые стороны, и выбор технологии для конкретной марсианской миссии будет зависеть от местных условий и потребностей. Если экспедиция сможет приземлиться в районе с подтвержденными запасами льда в грунте, то добыча воды из этого льда станет приоритетным вариантом. Лед дает наибольшие объемы воды при относительно умеренных затратах энергии. Такой вариант наиболее реалистичен для долгосрочной базы или колонии. Экипажам экспедиции остается пробурить грунт, растопить лед и получить стабильный источник.
С другой стороны, первые пилотируемые миссии могут оказаться в менее благоприятных местах, где большого льда нет. В таких случаях придется комбинировать технологии. Влага, содержащаяся в марсианском грунте и атмосфере, может восполнить часть потребностей — особенно когда речь о кратковременных миссиях или аварийных ситуациях. Например, в экстренной обстановке астронавты могли бы собрать немного воды прямо из воздуха, чтобы продержаться до прибытия помощи. Атмосферные сборщики воды могут играть роль страховой сетки и мобильного источника для разведывательных походов вдали от базы. Такая распределенная система повышает надежность водоснабжения: даже если основной колодец иссякнет или сломается насос, колония не останется сразу без воды.
При планировании марсианской базы инженерам важно учесть энергоемкость и масштабируемость каждого метода. Добыча льда из грунта потребует мощных энергетических установок, вероятно, ядерного реактора или обширных солнечных ферм, для питания буров, нагревателей и насосов. Сбор воды из атмосферы тоже не обходится без энергии: нужны компрессоры, охлаждающие элементы или системы адсорбции, которые должны работать круглосуточно.
При этом атмосферные установки легче масштабировать. Чтобы увеличить добычу, можно просто поставить больше модулей-поглотителей. Система грунтовой добычи, напротив, масштабируется сложнее — добывать воду быстрее зачастую мешают геология участка, глубина залегания льда и ограниченная производительность бурового оборудования. Поэтому вполне вероятно, что в марсианской экспедиции будут задействованы оба подхода. Основной поток воды может идти из грунта, а вспомогательные устройства соберут дополнительные литры из окружающего воздуха. Такой гибридный подход сделает экспедицию максимально независимой от Земли и устойчивой.
#космос #космический_полет #марсианская_экспедиция #Марс #добыча_воды_на_Марсе #модуль_поглотитель #атмосферная_установка #грунтодобыча_воды #сбор_воды_из_атмосферы #система_адсорбации