Кремний

В современную эпоху кремний стал, возможно, третьим по важности металлом после стали и алюминия – ведь это ключевой материал для производства всей электроники. Он будет еще более значимым на Марсе, потому что, добывая кремний, мы сможем производить фотоэлектрические панели, тем самым постоянно увеличивая добычу электричества на базе. Сырье для этого – диоксид кремния (SiO₂) – по массе составляет почти 45 % от марсианской коры. Чтобы получить кремний, нужно смешать его диоксид с углеродом и нагреть в электропечи.

SiO₂ + 2С ? Si + 2СО (7)

Опять же, мы видим, что восстанавливающий элемент, углерод, – это побочный продукт системы производства топлива на марсианской базе. Реакция (7) высоко эндотермическая, хотя далеко не такая затратная, как реакция восстановления оксида алюминия (6), а расходы энергии на нее даже отдаленно не сопоставимы с таковыми в случае (6).

Кремний как продукт реакции (7) достаточно хорош для некоторых целей. Например, его можно использовать, чтобы сделать карбид кремния, весьма термостойкий материал (он использовался в обшивке, защищавшей шаттлы от перегрева при входе в атмосферу). Однако очевидно, что даже малейшее количество гематита, присутствующего в исходном сырье для реактора, также будет восстановлено, в результате чего в кремнии окажутся железные примеси. Для получения чистейшего кремния, достаточно хорошего для микросхем и солнечных панелей, необходим еще один шаг: купание полученного загрязненного кремниевого продукта в горячем газообразном водороде. В результате кремний превратится в силан (SiH₄). При температуре не ниже комнатной он представляет собой газ, так что его легко можно отделить от гидридов других металлов, все из которых являются твердыми. Затем нужно перегнать силан в другой реактор и разложить при высоких температурах – получится чистый кремний и свободный водород, который снова пойдет на очистку. Такой кремний уже можно легировать фосфором или другими примесями, чтобы произвести именно тот полупроводниковый прибор, который требуется.

Можно не разлагать силан, а сжижать его для длительного хранения, охлаждая до -112 °C. Это всего на 20 °C ниже типичных марсианских ночных температур. Для чего нужно хранить жидкий силан? Дело в том, что он горит в диоксиде углерода. Практически все топливные смеси, которые мы обсуждали до сих пор, например метаново-кислородная, предполагают перевозку в топливных баках и топлива, и его окислителя. На Земле так поступать не принято. На Земле вне зависимости от того, сжигаете вы бензин в автомобиле или дерево в камине, вам всего лишь нужно подать топливо, а окислителем послужит кислород из воздуха. Поскольку обычно окислитель составляет около 75 % от реагирующей смеси, последний упоминавшийся подход явно будет гораздо более эффективным. В атмосфере Марса очень мало свободного кислорода, она почти полностью состоит из углекислого газа. Не многие вещества могут гореть в углекислом газе, но силан точно на такое способен:

SiH₄ + 2CO₂ ? SiO₂ + 2С + 2 Н₂O (8)

В реакции (8) 73 % массы топлива – диоксид углерода, и только 27 % – силан. Некоторые из продуктов реакции (8) являются твердыми, потому эту систему нельзя использовать в двигателе внутреннего сгорания. Но она вполне сгодится, чтобы разжечь котел паровой машины. Для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) или для ракетных двигателей она также будет вполне хороша. Ракетный двигатель, работающий на силане и диоксиде углерода согласно реакции (8), может производить удельный импульс около 280 секунд. На первый взгляд это не очень впечатляет, пока вы не осознаете, что при себе вам достаточно иметь только 27 % массы топлива. Представьте себе небольшое прыгающее транспортное средство, которое неоднократно взлетает и совершает посадку, доставляя телеробота к какому-то количеству выбранных мест, разделенных непроходимой территорией. Такому устройству не нужно будет нести на борту все необходимое топливо. Вместо этого оно сможет производить дозаправку диоксидом углерода, просто запуская насос после посадки. В результате эффективный удельный импульс этой системы составит не 280 секунд, а 280 секунд, умноженные на отношение общего количество топлива к количеству силана, то есть на 3,75. В итоге получится значение 1050 секунд, неслыханное для химических реактивных двигателей.

Гидрид бора, или диборан (В₂Н₆), также способен гореть в двуокиси углерода с удельным импульсом 300 секунд в пропорции 1:3 соответственно [37]. Ракетный прыгун на диборане и диоксиде углерода будет иметь, таким образом, эффективный удельный импульс 1200 секунд, это еще лучше, чем у системы на силане и диоксиде углерода, которая обсуждалась выше. Однако бор на Марсе редок, в то время как кремний встречается везде, а процессы, требующиеся для производства диборана, довольно сложны. Небольшие количества диборана можно импортировать на Марс в начале программы, чтобы обеспечить высокую производительность применений прыгуна (использование системы на этом топливе будет лучшим вариантом, например, для выполнения роботизированной миссии по возвращению проб марсианского грунта), но к моменту существования базы, где будет возможность производить силан, местный продукт почти наверняка вытеснит привозной диборан.

Неоднократно предлагалось производить кремний на Луне, чтобы изготавливать прямо там большое количество солнечных батарей. Эта идея имеет серьезные недостатки. Да, совершенно верно, диоксид кремния очень распространен на Луне, лучшего пожелать нельзя, но углерод и водород, необходимые для его превращения в чистый металл, отсутствуют. Хотя в описанных выше процессах эти реагенты используются повторно, в действительности всегда есть потери. Если вы хотите производить металлический кремний или любой другой металл на Луне, в конечном итоге вам придется завозить много углерода и водорода. На Марсе, напротив, оба этих элемента доступны в естественных условиях.