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.

Один геотермальный колодец на Земле обычно генерирует от 1 до 10 МВт электричества – не много по стандартам земных электростанций, но изрядно, если ориентироваться на требования марсианской базы. На Земле геотермальные электростанции такого размера могут быть приняты в эксплуатацию в течение шести месяцев от начала бурения и способны работать 97 % времени, причем эта цифра уступает только аналогичному показателю для гидроэлектростанций. Мало того, кроме большого количества энергии, геотермальная скважина могла бы обеспечивать базу на Марсе кое-чем не менее ценным: обильным количеством жидкой воды. На Земле генерирующие станции должны располагаться там, где находятся источники геотермального тепла, и, так как мы уже выбрали места для наших городов, это обстоятельство часто представляет проблему. А вот на Марсе города еще только предстоит построить. Учитывая значимость геотермальной энергии и воды, место обнаружения такого источника, вероятно, продиктует расположение базы.

Говоря короче, геотермальные источники энергии будут чрезвычайно выгодны для марсианских поселенцев. Вопрос в том, существуют ли они. Возможно, это покажется вам странным, но ответ почти наверняка будет положительным.

На Марсе есть крупномасштабные вулканические образования, например в провинции Фарсида, возраст которых менее 200 миллионов лет. Примерно 4 % поверхности планеты (около 5 миллионов квадратных километров, в основном в северных районах Элизиум, Аркадия и Амазония, а также в экваториальной области Фарсида) классифицируется марсианскими геологами как Верхняя Амазония: рельеф этой части планеты изменился в результате либо вулканической деятельности, либо затопления за последние 500 миллионов лет. События, произошедшие так давно, кому-то покажутся древней историей, но, учитывая, что возраст Марса составляет 4 миллиарда лет, на самом деле их стоит квалифицировать как недавние. С геологической точки зрения, 200 миллионов лет назад – это «сегодня». Если вулканы были активны тогда, они так же могут быть активны в настоящее время.

Более того, как мы уже видели, Марс обладает большими запасами воды. Жидкие грунтовые воды, вероятно, встречаются в пределах километра от поверхности по меньшей мере в некоторых местах. Если некая область была геотермально активна в недавнем прошлом, вода в ней может быть достаточно горяча, чтобы использовать ее для получения энергии.

Если в качестве подходящих кандидатов мы рассмотрим только территории Верхней Амазонии и предположим, что темп их формирования равномерен на отрезке в 500 миллионов лет, мы обнаружим, что 10 % (0,5 миллиона квадратных километров), вероятно, имеют возраст менее 50 миллионов лет, 1 % (50 тысяч квадратных километров) – менее 5 миллионов лет, а 0,1 % (5 тысяч квадратных километров), наверное, были активны в течение последних 500 тысяч лет.

Не следует извлекать геотермальную энергию из области, которая вулканически активна в настоящее время. Недра остаются горячими довольно долго после того, как активность ослабла. В своей основополагающей статье про марсианскую геотермальную энергию Фогг представил расчеты температурных профилей тамошних грунтов как функции времени с момента, когда регион был активен. Его результаты обобщены в табл. 7.2.

Для справки, текущий уровень развития технологии наземного бурения позволяет углубиться примерно на 10 километров. На Марсе делать глубокие скважины должно быть легче, так как меньшая сила тяжести уплотняет почву менее значительно. Можно видеть, что площади, связанные с геотермальной активностью в течение последних 5 миллионов лет, довольно обширны, и для таких территорий будет достаточно скважин глубиной всего в несколько километров, чтобы добыть очень горячую воду. После того как она окажется на поверхности, она станет очень быстро превращаться в пар и может быть использована для выработки электроэнергии с помощью движущейся турбины. Такая станция на Марсе окажется еще более эффективной, чем на Земле, потому что низкое атмосферное давление позволит пару сильнее расширяться перед конденсацией. Часть сточной воды, образующейся в результате этого процесса, будет отведена для снабжения базы в необходимом объеме. Остальная вода направится обратно в скважину, чтобы снова пополнить подповерхностный водоносный слой.

Таблица 7.2. Характеристики марсианских геотермальных полей

Геотермальную энергию нельзя сгенерировать на Луне, ее нельзя сгенерировать на астероидах. Из всех внеземных тел в Солнечной системе только Марс имеет потенциал для создания такого обильного источника энергии для поддержки человеческих поселений.

Варианты применения энергии Солнца и ветра для периферийных энергетических установок вместе с использованием геотермальной энергии для основных потребностей указывают, что при использовании ядерных реакторов в начале освоения планеты марсианская база, которая освоит соответствующий набор технологий использования местных ресурсов, будет способна расширять возможности по обеспечению источниками энергии своими силами. Чем больше энергии окажется у базы, тем быстрее она станет расти и, следовательно, получать еще больше энергии по мере роста. Как только на Марсе появится возможность для производства солнечной, ветряной и особенно геотермальной энергии, рост базы станет экспоненциальным.