Химия для Марса

Задачи

Как выжить на Марсе? Можно ли использовать марсианские ресурсы для жизнеобеспечения космонавтов? Нет ли способов производства ракетного топлива из марсианской атмосферы? Вот вопросы, над которыми сегодня размышляют ученые и инженеры. Для проверки ответов на эти вопросы проектируются или будут проектироваться новые космические аппараты.

Исходные данные

Мы знаем, что марсианская атмосфера содержит 95,3% СО₂, 2,7% N₂, 1,6% Аr, всего 0,13% О₂, меньше, чем по 0,1% СО и Н₂О, и лишь следовые количества NО, Kr и Хе. Вода может присутствовать в полярных шапках, границы которых зимой сильно расширяются, а летом убывают. Известно, что давление там в 70–80 раз ниже земного, марсианский день длится почти столько же, сколько земной, а год – вдвое больше. При этом средние дневные температуры значительно ниже, чем на Земле (от –90 до –30 °С), но могут меняться по сезонам от –133 °С до +27 °С. Скорость ветра летом составляет 2–7 м/с, осенью – 5–10 м/с, а во время пыльных бурь – 17–30 м/с. Напомню, что скорость ветра на Земле больше 20 м/с бывает при сильном, разрушительном шторме.

Вытянутая эллиптическая орбита Марса позволяет проводить полеты с Земли с наименьшими затратами примерно каждые два года; ближайшие запуски планируются на март–апрель 2001 г., на 2003 г. и 2005 г. Пилотируемый 26-месячный полет на Марс предполагается подготовить к 2011 г.

Скорее всего основные источники энергии (радиоизотопные генераторы и солнечные батареи), а также жилые и лабораторные модули с основными средствами жизнеобеспечения будут доставлены на поверхность Марса беспилотными кораблями перед высадкой там космонавтов. Тем не менее стоимость и успех первых полетов с экипажами на борту будут зависеть от того, удастся ли найти способы использования «местных», марсианских ресурсов.

Кислород для дыхания

Потенциальных источников кислорода на Марсе три: оксиды углерода (СО₂ и СО), вода и минералы марсианского грунта. Состав грунта точно не известен, и вряд ли можно рассчитывать на выделение из него кислорода: даже в земных условиях разложить силикаты и алюмосиликаты, слагающие земную кору, – непростая и требующая больших затрат энергии проблема. Источники воды на Марсе тоже пока проблема. Возможно, что вода есть в полярных шапках, границы которых в период марсианской зимы опускаются к экваториальным областям. Так что главный и вполне доступный источник кислорода – атмосфера.

Разложить СО₂ до О₂ в принципе можно нагреванием до высоких температур и электролизом с помощью ZrО₂.

Термическое разложение СО₂ по реакции

2СО₂ = 2СО + О₂

начинается лишь при температуре 1200 °С и протекает на 50% при 2600 °С. Способов разделения СО и О₂ при таких высоких температурах не существует.

Более реальным представляется электролиз по реакциям:

СО₂ + 2е ® СО + О^2–(ZrО₂) (одна сторона мембраны ZrО₂),
2О₂–(ZrО₂) – 4е ® О₂ (другая сторона мембраны ZrО₂).

Электрохимические ячейки с твердым электролитом, способным быть проводником ионов О^2–, из специально подготовленного (стабилизированного) ZrО₂ кубической модификации уже используются в технике, и создание «марсианского» варианта такой ячейки сегодня вполне осуществимо.

Имеются способы сжатия СО₂ до нужных давлений: при низких температурах зимней марсианской ночи можно поглощать СО₂ на пористом веществе типа активированного угля, а затем, переключив клапаны на сборник СО₂, при высоких температурах летнего дня перекачивать его. Полученный О₂ также можно автоматически сжимать и направлять на хранение. Перед подачей в дыхательные аппараты его необходимо разбавить N₂ и Аr, которые можно добыть из той же марсианской атмосферы.

Образующийся побочно СО можно, не боясь осложнений, просто выбрасывать в атмосферу, поскольку там он уже имеется. Более рационально, видимо, попытаться (раз уж затрачена энергия на сжатие) и из него выделить О₂, использовать в качестве восстановителя или топлива.

Известно, что СО при нагревании разлагается на СО₂ и С, что позволяет возвращать СО₂ в цикл. Надо, правда, сравнить затраты энергии на выделение СО₂ из марсианской атмосферы и СО.

Ракетное топливо

Топливо для ракет обычно состоит из двух компонентов – окислителя и восстановителя (горючего). Хорошим окислителем служит жидкий кислород, производство которого на Марсе мы предположительно уже наладили, а восстановителем может быть жидкий водород, керосин, любые сжиженные углеводороды. С получением горючего дело обстоит сложнее.

Если бы удалось найти воду, задача свелась бы к простейшему электролитическому разложению, которое выражается суммарным уравнением:

Надо только доставить на Марс некоторое количество какой-либо соли с небольшой молекулярной массой или использовать компоненты отработанных регенераторов кислорода систем жизнеобеспечения, чтобы повысить электропроводность воды. Но вода еще не найдена, и нужны иные решения.

Пока предполагается, что горючее будет получено из атмосферного СО₂. Для этого придется привезти с Земли водород, получить с его помощью метан, который и использовать как горючее для перелета с поверхности Марса на космический возвращаемый корабль, остающийся на марсианской орбите.

Реакция

СО₂ + 4Н₂ ® СН₄ + 2Н₂О

была описана еще в 1902 г. Профессор из Тулузы, автор известной в свое время книги «Катализ в органической химии» (русский перевод вышел в 1932 г.) П.Сабатье, именем которого названа эта реакция, показал, что свежеприготовленный мелкий порошок никеля позволяет провести ее нацело уже при температуре 350 °С. Нетрудно посчитать, что каждая тонна Н₂ даст 2 т СН₄ и к тому же 4,5 т Н₂О. Электролиз воды и использование «вторичного» Н₂ позволит в конечном счете из каждой тонны «первичного» Н₂ получить в 12 раз большую массу полезных веществ: 4 т СН₄ и 8 т О₂. При взаимодействии с О₂ полученный СН₄ даст больший удельный импульс (главная характеристика эффективности ракетного топлива), чем привезенный Н₂, что и позволяет говорить о целесообразности превращения Н₂ в СН₄.

Синтез СН₄ и других углеводородов парафинового ряда может быть проведен при подборе соответствующих катализаторов и условий из СО (который мы решили не выбрасывать в атмосферу при получении О₂). Этот синтез был разработан в Германии в 1923 г. Ф.Фишером и Г.Тропшем, назван их именами, протекает при невысоких температурах и в некоторых странах до сих пор используется для получения моторных топлив и парафинов. На одних катализаторах реакции протекают по схемам:

на других – несколько иначе:

Из СО в будущем при создании на Марсе постоянных обитаемых поселков можно будет получать спирты, альдегиды, кетоны – большой набор полезных продуктов.

Перспективы

Описанное выше – лишь первые шаги химической технологии на Марсе. Со временем будет наверняка найдено еще немало путей использования марсианских ресурсов, применены и другие хорошо известные реакции, разработаны новые приемы и аппараты для работы в необычных для Земли условиях.

Одно из важнейших направлений – поиск рационального сочетания биологических, биолого-химических и химических методов. Жизнеобеспечение в первых марсианских обитаемых модулях первоначально будет осуществляться так же, как на станции «Мир» или космических кораблях, – с помощью регенерационных систем. Эти системы поглощают СО₂ из замкнутого объема станции и кораблей, восполняют расход О₂, поддерживают оптимальную влажность воздуха, проводят регенерацию воды, т. е. целиком основаны на внутренних ресурсах и химических процессах. Полет на Марс будет невозможен без использования замкнутых биологических экосистем, биорегенерации (в простейшем случае – того же О₂ или воды). При этом биологические средства должны работать в тесном взаимодействии, в сочетании с химическими, так что надо думать над гибридными, интегрированными системами.

Какие еще химические процессы можно предложить для марсианских программ?

Э.Г.Раков