Использование воды

В уме марсианина постоянно будет один вопрос, преобладающий над всеми вопросами рабочей силы, женского избирательного права и восточным вопросом, вместе взятыми, – вопрос воды. «Как добывать достаточное количество воды, чтобы поддерживать жизнь?» – вот какова будет величайшая общественная проблема.

Персиваль Лоуэлл. Марс, 1895

Персиваль Лоуэлл ошибался во многом, но, разумеется, проявил прозорливость в своем замечании относительно воды на Марсе. Все возможности сделать Красную планету доступной для освоения и заселения, которые мы обсуждали до сих пор, зависят от воды: это производство топлива для ракет и роверов, кислорода для синтеза пластмасс, кирпича, строительного раствора и керамики, а также выращивание сельскохозяйственных культур, устранение утечек воздуха и укрепление почвы с использованием искусственной мерзлоты. Хотя мысль о том, чтобы постоянно возить воду на Марс, кажется чрезвычайно непривлекательной, в первых нескольких миссиях мы можем позволить себе получать воду, используя всего 11 % водорода, доставленного с Земли, в сочетании с кислородом, добытым из диоксида углерода марсианской атмосферы. Когда начнется этап создания базы, нам придется двигаться дальше. Возросшие требования к количеству топлива, вытекающие из увеличения уровня человеческой деятельности, множество новых сфер применения машин, а также стоящие выше всего нужды сельского хозяйства – все это сделает спрос на воду намного большим, чем можно удовлетворить, получая ее из «земного» водорода. Если человеческая цивилизация когда-нибудь разрастется на Марсе, нам придется найти способ получать воду на месте.

Если мы проявим должную мудрость, то разобьем базу неподалеку от места, где можно найти воду. Она должна быть легко доступна. Если вы сегодня посмотрите на Марс, вы увидите большую область с пониженным рельефом в районе северного полюса, где очень мало кратеров. Считается, что когда-то давно это огромное углубление было заполнено водой – она-то и защищала поверхность планеты от метеоритов первый миллиард лет или около того. Последнее, что осталось от древнего океана, – северная полярная шапка, которая состоит из водяного льда (по современным оценкам, там содержится около 2 миллионов кубических километров воды [30]). Европейский орбитальный аппарат «Марс Экспресс» также обнаружил заполненные водяным льдом кратеры в северном полушарии [31]. Но это лишь известные источники чистой воды. Картографируя планету с орбиты с использованием гамма– и нейтронного спектрометров, космический аппарат НАСА «Марс Одиссей» обнаружил в обоих полушариях области размером с континент, где грунт на поверхности содержит по весу от 40 до 60 % воды. На полученных с орбиты изображениях мы видим, что север Марса отличается гораздо большим количеством сухих русел рек и ручьев, чем юг. Вполне вероятно, что во времена, когда вода текла по этим каналам в последний раз, в устьях остались запасы льда или вечная мерзлота. Они могут существовать до сих пор, скрытые от нашего взора слоем пыли. Измерения влажности атмосферы, проведенные с орбиты, также не оставляют сомнений, что северное полушарие куда богаче водой, чем южное, а самое влажное время года на Марсе – северная весна. То, что на севере планеты когда-то было относительно много воды, имеет значение для будущих колонистов еще и по другой причине. Гидрологическая деятельность – ключевой фактор для формирования большого разнообразия минеральных руд. Если бы журналист Хорас Грили жил на Марсе, его совет молодым марсианам, ищущим свое счастье, был бы прост: «Идите на север».

Есть целый ряд возможных способов получить воду на Красной планете. Первый, наиболее привлекательный, но самый проблемный метод – просто найти ее. Как обсуждалось в главе 6, на Марсе могут существовать подповерхностные геотермальные водоемы жидкой воды. Если они есть, их вполне реально обнаружить на глубине до километра от поверхности, используя роверы, оснащенные почвопроникающими радарами. Экипажам не придется кататься по планете наудачу. Радарные исследования низкого разрешения, проводящиеся с орбиты, или с самолетов, или с аэростатных зондов, помогут заранее определить лучшие места для поиска воды. Подсказки могут дать и метановые шахты, которые в случае их обнаружения указывали бы на подповерхностную гидротермальную активность (и, возможно, на наличие на планете жизни!), а еще изображения вроде тех, что были предоставлены зондом «Марс Глобал Сервейор», которые помогут увидеть истечения воды из уступов скал и кратеров, имевшие место в недавнем прошлом. Если мы найдем такой бассейн и пробурим к нему шахту, горячая вода под давлением начнет вырываться из-под земли, как нефтяные фонтаны на месторождениях в Техасе. Когда она соприкоснется с холодной разреженной марсианской атмосферой, то не сможет долго оставаться горячей. В зависимости от скорости истечения вода, вероятно, замерзнет и опадет на поверхность. Таким образом, моментально может образоваться снежный вулкан значительных размеров. Впрочем, добыча воды таким эффектным способом будет расточительной, потому что гидротермальная скважина – это еще и отличный источник энергии. В том же, что касается доступа к воде, не может быть ничего лучше, чем сооружение базы рядом с горячей артезианской скважиной.

Конечно, не факт, что дела пойдут так хорошо. Мы можем и не найти жидкой воды под поверхностью в пределах бурового диапазона. Что тогда? Что ж, в таком случае удачной находкой могут оказаться рассолы. Насыщенные солевые растворы остаются жидкими при низких температурах – до -55 °C, а это значит, что даже без геотермального тепла такие рассолы, защищенные от испарения небольшим слоем почвы или льда, могут существовать на Марсе очень близко к поверхности. В дополнение к тому, что соляные бассейны содержат много воды, они еще представляют большой интерес и как места, где могла бы сохраниться марсианская жизнь. До сих пор рассолы на Марсе обнаружены не были,[28] но и «Спирит», и «Оппортьюнити» нашли обильные залежи солей по краям древних озер, поэтому ученые считают, что светлая кайма вокруг некоторых водоемов на орбитальных снимках Марса, вполне вероятно, представляет собой отложения солей на береговых линиях исчезнувших марсианских морей.

Следующий после рассолов интересный источник воды на Марсе – лед. Большие залежи водяного льда есть в северной полярной шапке планеты, но это не то место, где имеет смысл строить базу. Мы не видим ни одного крупного постоянного отложения льда южнее 70° с.ш., но, если верить теории, за 40° с.ш. подземные льды должны проявлять устойчивость к таянию уже на глубине в метр от поверхности. Впрочем, могут встречаться локальные аномалии. В Колорадо, где я живу, на северной стороне дома может быть зима, а на южной – лето и даже в середине жаркого августа в тенистых впадинах на северных склонах холмов нередко встречается снег. Поэтому я вполне допускаю, что в некоторых холодных расщелинах, лавовых трубках, пещерах или на затененных северных сторонах возвышенностей на Марсе лед можно найти даже в тех областях, в отношении которых климатические модели предсказывают, что его там не может быть. Кстати, практика подтвердила, что дело обстоит именно так. Наблюдения, проведенные «Марс Реконнэйсенс Орбитер» и опубликованные в 2009 году, показали чистый водяной лед на глубине в несколько футов в пяти относительно новых кратерах, расположенных между 43° и 56° с.ш. (Три места находятся в четырехугольной области Кебрения; их координаты таковы: 55,57° с.ш. и 150,62° в.д., 43,28° с.ш. и 176,9° в.д., 45° с.ш. и 164,5° в.д. Два других расположены в четырехугольнике Диакрия: 46,7° с.ш. и 176,8° в.д., 46,33° с.ш. и 176,9° в.д.) Это открытие доказывает, что вода доступна на Марсе в средних широтах.

Тем не менее такие запасы чистого льда в неполярной области можно найти далеко не везде. Марсианским исследователям гораздо чаще придется иметь дело с вечной мерзлотой или заледеневшей грязью. Эти источники могут содержать большое количество воды, но тем, кто будет добывать ее, вероятно, придется воспользоваться динамитом. Вечная мерзлота при марсианских температурах должна быть довольно неподатливым материалом. Кстати, в некоторых ситуациях ее можно рассматривать как превосходный местный строительный материал. Блоки из смерзшегося грунта гораздо крепче, чем обожженные кирпичи из красной глины, для их изготовления не нужна печь, а скреплять их можно без строительного раствора. А еще такой блок – это запас воды, достаточно просто расплавить его.

Все рассмотренные ранее подходы к поиску и добыче воды можно назвать героическими. Теперь давайте взглянем на какие-нибудь более обыденные, промышленные методы.

В марсианском грунте есть некоторое количество воды. Мы это точно знаем, потому что случайные образцы, взятые с поверхности на глубине до 10 сантиметров на обеих посадочных площадках «Викинга», содержали по весу около 1 % воды. Это не так уж плохо, но на самом деле тест был не совсем достоверным, потому что грунт на поверхности Марса самый сухой. Образцы нагревали в течение всего 30 секунд до температуры 500 °C и, более того, перед экспериментом их хранили в открытом сосуде при 15 °C в течение нескольких дней. Так как эта температура намного выше, чем средняя марсианская, очень высоки шансы, что значительное количество воды из образцов испарилось. На основании результатов «Викингов» можно с уверенностью предположить, что среднестатистический марсианский грунт содержит не менее 4 % воды. Впоследствии это предположение подтвердил орбитальный зонд «Марс Одиссей». А некоторые грунты, вероятно, будут еще более влажными. Так, на Марсе есть соли, обычно содержащие до 10 % химически связанной воды, которая может выделяться при нагревании. Распространенные на Красной планете глины тоже отлично адсорбируют воду. Например, в SNC-метеоритах была найдена смектитовая глина, также известная как «разбухающая», потому что она способна поглотить несколько процентов воды по отношению к своему весу. Во многих SNC-метеоритах также был найден минеральный гипс (CaSO₄ ? 2Н₂O). Вполне вероятно, что он довольно распространен на Марсе, потому что серы и кальция на обеих посадочных площадках «Викингов» обнаружилось гораздо больше (в сорок и в три раза соответственно), чем в среднем в почвах на Земле. Гипс может включать более 20 % воды по весу.

Рис. 7.3. Система для извлечения воды из марсианского грунта: грузовик, печь и отвал шлака (рисунок Майкла Кэрролла)

Будь то 4 или 20 %, чтобы получить воду из почвы, понадобится только тепло. Осуществить нагрев можно одним из двух способов: принести либо почву к нагревателю, либо нагреватель к почве. Первый вариант показан на рис. 7.3. Грузовик, нагруженный некоторым количеством относительно влажного грунта, сваливает его на конвейерную ленту, ведущую к разогретой до 500 °C (или около того) печи, в результате чего выделяется адсорбированная вода. Пар, полученный таким образом, собирают в конденсаторе, а обезвоженный материал выбрасывают. Полученные кучи шлака, конечно, будут создавать некоторое неудобство, но в целом энергетика этой системы не так уж плоха. Если в качестве исходного сырья использовать грунт с 4 %-ной влажностью, потребуется около 3 кВт. ч тепла на каждый килограмм воды [32]. При таком расходе реактор на 100 кВт сможет производить 900 килограммов воды в сутки, если его электроэнергия питает печь, или до 18 тонн воды в день, если потерянное тепло реактора будет использовать для обжига. (Термоэлектрические генераторы – современные космические ядерные источники питания – используют для преобразования в электричество только 5 % энергии, остальные 95 % выходят как «отработанное тепло».)

Увы, остается еще отвал обезвоженного грунта, с которым надо что-то делать. Мы могли бы произвести 18 тонн воды в день, но одновременно с тем обзавелись бы 462 тоннами шлака. Это не так много, около 12 кубометров, или шесть грузовиков. Вполне вероятно, что мы найдем сухой породе какое-то применение, а если нет, то просто сбросим его в соседний кратер.

Впрочем, если вы не хотите возить грунт туда-сюда, альтернативой будет доставка нагревателя к нужной области Марса. Один из предложенных способов заключается в том, чтобы иметь мобильную печь, способную, находясь в движении, загружать в себя грунт, прогревать его, конденсировать пар и выбрасывать сухую породу [33]. Вы, наверное, не захотели бы использовать для такой системы ядерный реактор, а вместо этого предпочли бы радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ) вроде того, что использовался на «Вояджерах», «Викингах», «Галилее» и других космических аппаратах, отправившихся исследовать окраины Солнечной системы. Стандартный РТГ выдает 300 Вт электроэнергии, которых достаточно, чтобы привести в движение грузовик, а также 6 кВт отходящего тепла, что позволяет получать 56 килограммов воды в день из 4 %-ного исходного сырья. Такое устройство было бы весьма удобно для небольших экипажей, работающих на выезде, или как дополнительная часть оборудования для первых разведывательных миссий (56 килограммов ежедневно в течение одной 500-дневной миссии «Марс Директ» – это в конечном итоге запасы воды до 28 тонн), но его выход весьма мал по сравнению с потребностями большой развивающейся марсианской базы. Конечно, мы могли бы производить необходимую воду, используя множество таких устройств, но все эти РТГ дорого нам обойдутся, к тому же мы по-прежнему будем перелопачивать много грунта, и еще надо учитывать износ оборудования. Есть ли более изящное решение?

Один из таких способов – использование микроволнового устройства для нагревания грунта. Вода в таком случае будет испаряться и подниматься в виде пара. Целиком конструкция может представлять собой что-то вроде поставленного на шасси тента с подвижной полой внизу, как щеткой захватывающей грунт вокруг; последняя должна быть достаточно плотной и герметичной, чтобы удерживать водяной пар, пока он не осядет на стенках тента. Преимущество этой схемы заключается в том, что здесь не нужно копать грунт, и более того, микроволновые печи расходуют большую часть своей энергии на нагрев одной лишь воды, а не грунта. К сожалению, поднимающийся пар будет передавать тепло почве, так что оно окажется израсходовано впустую (впрочем, не в такой степени, как в системе одного только теплового нагрева). Однако проблема состоит в том, что питать микроволновую печь следует от источника электрической, а не, например, тепловой энергии. 6000 Вт отработанного тепла, произведенного РТГ, не получится использовать для приведения системы в действие, придется довольствоваться 300 Вт электрической мощности аппарата. Таким образом, даже если 1 Вт мощности микроволнового устройства окажется вдвое эффективнее тепловой энергии при добывании воды из грунта, вы все равно получите только одну десятую часть запланированного количества воды, потому что тепловая энергия в двадцать раз доступнее. Впрочем, если концентрация воды высока, а грунт слишком тверд, чтобы его раздробить и загрузить в печь (как в случае с вечной мерзлотой), микроволновая система будет работать лучше, чем мобильный экскаватор, хотя выход по-прежнему останется довольно низким. Предположим, мы используем такую систему для обработки запаса вечной мерзлоты, содержащей по весу 30 % воды. На извлечение каждого ее килограмма понадобится около 1 кВт. ч электрической мощности. Так, в течение марсианского сола (24,6 земного часа) передвижной микроволновый аппарат с 300-ваттным РТГ сможет добыть около 7,4 килограмма воды. Единственный способ улучшить производительность – применить намного больше энергии, например подключив устройство с помощью длинного кабеля к ядерному реактору базы и добавив 100 кВт. В этом случае удастся произвести 2,2 тонны воды в день, но аппарат потеряет мобильность.

Рис. 7.4. Мобильные методы извлечения воды из марсианского грунта: колесный комбайн, поглощающий почву (слева вверху); мобильная микроволновая система с полой (по центру); переносной купол с конденсатором (внизу) (иллюстрация Майкла Кэрролла)

Я думаю, что лучшее решение – растянуть прозрачный тент над выбранной областью, после чего пространство внутри естественным образом прогреется, как в парнике. Эффект можно усилить, если установить вокруг большие, легкие отражатели и перемещать их по мере движения Солнца, чтобы с максимальной пользой улавливать его лучи. Грунт внутри палатки будет нагреваться, конечно, не до 500 °C, но все равно существенно. Благодаря этому часть адсорбированной в нем воды испарится, и, чтобы собрать ее, достаточно будет установить в одном из углов тента постоянно охлаждаемую пластину (вода станет оседать на ней в виде инея – так же, как это происходит у вас в морозильнике). Чтобы понять, насколько эффективна такая система, учтем, что в среднем на Марсе с помощью солнечного света можно получить 500 Вт энергии с квадратного метра поверхности. Если тент представляет собой полусферу 25 метров в диаметре, а парниковый эффект и отражатель позволяют получить дополнительные 200 Вт с квадратного метра тепла, общая эффективная мощность системы будет 98 кВт. Этого достаточно, чтобы за восьмичасовой рабочий день добыть 300 килограммов воды из грунта с 4 %-ной влажностью. Тент, сделанный из полиэтиленовой пленки толщиной 0,1 миллиметра, будет иметь массу всего 100 килограммов (и, следовательно, весить на Марсе 38 килограммов), так что экипаж ровера вполне сможет переносить его на новое место каждый день. Со временем грунт, из которого извлекли воду, естественным образом увлажнится, и эту область поверхности можно будет снова использовать.

Добывать воду из марсианской атмосферы следует совершенно иным способом. Проблема здесь заключается в том, что «воздух» на Красной планете очень сухой – в среднем необходимо обработать один миллион кубометров, чтобы добыть килограмм воды. Инженер Том Мейер и исследователь Марса Крис Маккей в своей уже ставшей классической статье предложили систему механического компрессора, способную делать именно это [33]. Авторы выяснили, что для производства каждого килограмма воды потребуется около 103 кВт. ч электроэнергии. Если сравнивать их результат с показателем эффективности описанной выше системы для добычи воды из почвы (около 3 кВт. ч тепловой энергии на килограмм), «воздушный» метод, конечно, покажется малоэффективным, хотя следует отметить, что компрессор также будет добывать из атмосферы много аргона и азота, необходимых для жизнеобеспечения базы.

Впрочем, совсем недавно Адам Брукнер, Стивен Кунс и Джон Уильямс из Университета штата Вашингтон провели исследование, в котором, вместо того чтобы сжимать воздух, просто прогнали его через поглощающий слой цеолита с помощью вентилятора [34]. Цеолит очень хорошо поглощает влагу, его можно использовать для уменьшения концентрации паров воды в атмосфере до нескольких частей на миллиард, а такая влажность намного ниже, чем даже марсианская. При температурах, царящих на Красной планете, цеолит способен адсорбировать воду в количестве до 20 % от своего веса. После насыщения его можно поместить в печь, чтобы выпарить воду – на это уйдет около 2 кВт тепловой энергии на килограмм, – а затем использовать повторно. Поскольку при таком подходе достаточно гнать поток воздуха, не сжимая его, мощность механического вентилятора будет значительно меньше мощности насоса, который используется в системе Мейера и Маккея, но, вероятно, потребуется еще 2 кВт. ч электрической энергии на килограмм обработанной воды. То есть энергетические затраты здесь будут сравнимы с таковыми при добыче воды из почвы.

Основная проблема с извлечением воды из атмосферы Марса любым способом заключается в том, что система для этого должна быть довольно большой. Так, система, объединяющая воздуховод с площадью поперечного сечения 10 квадратных метров и вентилятор, способный гнать воздух со скоростью 100 метров в секунду, будет производить около 90 килограммов воды в день. Нет необходимости делать это устройство подвижным, а потому 8 кВт электрической энергии для запуска вентилятора легко можно передать с базы. Если иметь в виду, что в данном случае не нужно проводить геологоразведочные работы и перемещать грунт, что система полностью автоматизируема и что исходный материал – марсианский «воздух» – это бесконечно возобновляемый ресурс, то в итоге такая система добычи воды из атмосферы кажется весьма привлекательной.

Резюмируя, можно сказать, что, хоть на Марсе и нет водоносных каналов, оплетающих планету, вода, конечно же, здесь имеется – причем в количествах, достаточных для существования людей. Нет сомнений, что большая ее часть, добытая на засушливых просторах, пойдет на то, чтобы добавить Красной планете зелени.