ТБС-поселения на других планетах - Формирование воздушной среды в марсианских ТБС-поселени

Задача проектирования ТБС для условий Марса является на порядки более сложной, чем для любых земных (к примеру, Арктики). Главным затруднением такого проекта является отсутствие на Марсе привычного для Земли, дарового воздуха. На Марсе воздух придется делать в буквальном смысле этого слова. Исходным сырьем данного производства должны стать газы марсианской атмосферы.

В данной главе предварительно рассматриваются общие принципы формирования воздушной среды в марсианской ТБС.

Потребности человека в кислороде

Уровень кислорода у поверхности Земли колеблется незначительно: от 20,7 % до 20,95 %. Выраженное ухудшение самочувствия, снижение работоспособности у людей наблюдаются при очень значительном падении содержания кислорода - до 15 - 17 % (при норме - почти 21 %) (при н.у.).

Общее количество воздуха, проходящее через легкие в единицу времени, называется легочной вентиляцией и измеряется в л/мин. В состоянии покоя легочная вентиляция равна 5 - 6 л/мин, при физической нагрузке она увеличивается до 60 - 80 л/мин.

Процентное содержание кислорода во вдыхаемом воздухе составляет 21 %. Однако при дыхании используется не весь кислород. Значительная его часть выдыхается. В выдыхаемом воздухе содержится не меньше 16 % кислорода. Таким образом, при легочной вентиляции в 6 л/мин усваивается 0,3 л/мин кислорода.

При потреблении 1 (н) л кислорода (количество потребляемого кислорода, как и выделяемого углекислого газа, обычно измеряется в так называемых "нормальных литрах" (н) л, приведенных к нормальным условиям при давлении 101,3 кПа и температуре 0°С) человек выделяет примерно 19 - 21 кДж (4,6 - 5 ккал) тепла. В среднем может быть принят энергетический эквивалент 1 (н) л кислорода 20 кДж, а 1 г кислорода - 14 кдж.

Потребление кислорода в среднем на одного человека составляет 22 (н) л/ч или 528 (н) л/сут.

Человеку массой порядка 80 кг потребуется в среднем 26,4 (н) л/ч.

Средние экспериментальные данные о легочной вентиляции, истинном количестве потребляемого кислорода и тепловыделении приведены в нижеследующей таблице:

Табл. 1. Средние экспериментальные данные о теплопродукции, легочной вентиляции, истинном количестве потребляемого кислорода у человека массой 60 - 70 кг, ростом 170 - 180 см.

Состояние организма; характеристика выполняемой работы	Легочная вентиляция, (н) л/мин	Истинное потребление кислорода, (н) л/мин	Теплопродукция
			Вт	ккал/мин
Покой	5 - 6	0,25 - 0,3	83 - 105	1,25 - 1,5
Очень легкая работа	6 - 10	0,3 - 0,5	105 - 175	1,5 - 2,5
Легкая работа	10 - 16	0,5 - 0,8	175 - 280	2,5 - 4,0
Средняя работа	16 - 25	0,8 - 1,2	280 - 420	4,0 - 6,0
Тяжелая работа	25 - 40	1,2 - 2,0	420 - 700	6,0 - 10,0
Очень тяжелая работа	40 - 50	2,0 - 2,5	700 - 874	10,0 - 12,5
Чрезвычайно тяжелая работа	50 - 60	2,5 - 3,0	874 - 1050	12,5 - 15,0
Изнурительная работа	Более 60	Более 3,0	Более 1050	Более 15,0

Углекислый газ

Содержание диоксида углерода в атмосферном воздухе Земли относительно постоянно и составляет 0,03 - 0,04 %. Содержание диоксида углерода в городском воздухе может быть выше, чем в чистой атмосфере, и составлять до 0,05 %.

При вдыхании больших концентраций углекислого газа нарушаются окислительно-восстановительные процессы. Чем больше диоксида углерода во вдыхаемом воздухе, тем меньше его может выделить организм. Накопление диоксида углерода в крови и тканях ведет к развитию тканевой аноксии. При увеличении содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе до 3 - 4 % отмечаются симптомы интоксикации, при 8 % возникает тяжелое отравление и наступает смерть.

ПДК диоксида углерода в воздухе лечебных учреждений равна 0,07 %, а в воздухе жилых и общественных зданий - 0,1 %. Последняя величина принимается в качестве расчетной при определении эффективности вентиляции жилых и общественных зданий.

Азот

Азот по количественному содержанию является наиболее существенной частью атмосферного воздуха.

Азот принадлежит к инертным газам, он не поддерживает дыхание и горение, жизнь в атмосфере чистого азота невозможна. Однако в природе нашей планеты происходит его круговорот. Азот усваивается некоторыми видами бактерий почвы, а также сине-зелеными водорослями.

Азот является своеобразным разбавителем кислорода, выполняя в этой связи жизненно важную функцию, т.к. дыхание чистым кислородом приводит к необратимым изменениям в организме. При этом отмечено, что его повышенное содержание во вдыхаемом воздухе способствует наступлению гипоксии и асфиксии вследствие снижения парциального давления кислорода. При увеличении содержания азота до 93 % наступает смерть. Наиболее выраженные неблагоприятные свойства азот проявляет в условиях повышенного давления, что связано с его наркотическим действием. Известна также его роль в происхождении кессонной болезни.

Принципиальная схема газовых потоков ТБС

Рис. 1. Схема газовых потоков ТБС.



Обозначения на схеме:

1 - Блок газоразделительного оборудования.

2 - Камеры составления воздушной смеси.

3 - Блок водорослей.

4 - Химические производства.

5 - Жилая зона.

6 - Камеры промежуточного обогащения воздуха кислородом и удаления углекислого газа.

7 - Рабочая зона.

8 - Зона растениеводства.

Описание схемы:

Потоки газов обозначены на схеме буквой "П" с соответствующими индексами.

В ТБС поступает смесь газов из атмосферы Марса. Состав смеси представлен в таблице.

Табл. 2. Химический состав атмосферы Марса по его четырем основным компонентам (по объему).

Составляющая	Доли в единице объема	Молекулярная масса
CO2	0,95	44
O2	0,02	32
Ar	0,016	40
N2	0,027	28

В Блоке газоразделительного оборудования (1) происходит разделение атмосферной смеси на составляющие ее газы, которые частично поступают в Камеры составления воздушной смеси (2) (П-3, состоящий из О₂, N₂, Аr) для приготовления пригодной для дыхания человека и животных воздушной смеси, частично идут в химическое производство (4) (П-1, состоящий из СО₂, а также СО и других вредных для дыхания примесей), частично идут в Блок водорослей (3) (П-2, состоящий из СО₂, N₂, О₂). В Блоке водорослей (3) происходит переработка СО₂ в органическое вещество и О₂, который вместе с газовой смесью с участием азота поступает в Камеры составления воздушной смеси (2) (П-4, состоящий из О₂). В Камере составления воздушной смеси (2) из поступающих газов составляется дыхательная смесь, соответствующая составу земной атмосферы (газовый состав сухой земной атмосферы дан ниже, см табл. 3). Воздух после составления идет в Жилую зону (5); таким образом, проходящий через нее воздух будет соответствующим земному эталону. Из Жилой зоны (5) через Камеры промежуточного обогащения воздуха кислородом (6) воздух поступает в Рабочую зону (7) и далее идет в Зону растениеводства (8), где, в отличие от прочих зон (Жилой, где состав воздуха соответствует земному эталону и Рабочей, где состав воздуха близок к земному эталону), газовый состав может иметь меньшее содержание кислорода и большее - углекислого газа, т.к. условия в этой зоне должны быть рассчитаны на благоприятный режим для роста и развития растительной массы. В определенных случаях (масштабные сезонные работы, к примеру - сбор урожая) в секциях Зоны растениеводства (8) могут быть устраиваемы нормальные условия с составом воздуха, соответствующим земному, но в остальное время для этой зоны представляется более выгодным режим, когда отработанный в других зонах воздух поступает туда без дополнительного обогащения кислородом.

Воздух из Зоны растениеводства (8) отбирается в Камеры промежуточного обогащения кислородом и удаления углекислого газа (6), а также частично изымается из системы. Изымаемый воздух направляется на Блок газоразделительного оборудования (1) (П-7, состоящий из CO₂, О₂, N₂, Аr). Таким образом, с одной стороны, в предложенном варианте в системе имеется некоторый внутренний круговорот, который призван уменьшить затраты энергии на газоразделение, а с другой - в Жилой зоне (5) состав воздуха всегда соответствует эталонному.

Попытка построения модели замкнутой СЖО была предпринята в Америке. Речь идет об известном эксперименте "Биосфера-2", в котором был сделан расчет на то, что в ограниченной замкнутой среде, герметически отделенной от остального мира, удастся воссоздать замкнутый газовый цикл. То есть, что CO₂, выделяемый в процессе дыхания человеком и животными, будет поглощаться и перерабатываться растениями в O₂, как это происходит в естественных условиях природы Земли. Однако этого, как известно, не произошло и газовый баланс "Биосферы-2" оказался смещенным в сторону большего содержания углекислого газа. Тем не менее, несмотря на то, что с помощью обычных растений полная переработка избыточных количеств углекислого газа оказалась в малых объемах невозможна, этот процесс будет в определенной мере происходить и в Зоне растениеводства (8), при некоем общем избыточном содержании CO₂ часть его будет постоянно в ходе процессов фотосинтеза растений переходить в O₂. Таким образом, осуществляя здесь частичное очищение воздуха от СO₂ и обогащение его O₂, мы получаем также возможность возвращения этого воздуха после его дополнительной обработки в Камерах промежуточного обогащения кислородом и удаления углекислого газа (6) в газовый цикл ТБС. В Камерах (6), помимо собственно обогащения воздуха кислородом (поток П-5, состоящий из O₂), возможно изъятие избытков углекислого газа с помощью восстанавливаемых реагентов (поток П-8, состоящий из изъятого CO₂).

Поставщиками кислорода для Камер составления воздушной смеси (2) и Камер промежуточного обогащения воздуха кислородом и удаления углекислого газа (6) является Блок водорослей (3), где происходит переработка углекислого газа в кислород (П-4, состоящий из О₂) с помощью устройств, в которых поддерживается жизнедеятельность биомассы культур простейших водорослей. (Аналогом подобных устройств является, к примеру, разработанная в России система "Биос".)

Углекислота может вводиться в автотрофно выращиваемые культуры водорослей различными методами. Наиболее распространенный способ - это подача углекислоты в виде газовоздушной смеси, осуществляющей, помимо снабжения водорослей источником углерода, функцию перемешивания культуры. Найденные применительно к условиям высокоинтенсивного культивирования хлореллы насыщающие и полунасыщающие концентрации СO₂ не превысили значений 1,6 - 1,7 % СO₂ в газовой фазе (35 - 40 * 10^-5 моля растворенной СO₂ на 1 л) при насыщающих интенсивностях света и плотности суспензии 600 млн. клеток в 1 мл.

Изучение зависимостей роста водорослей от условий показывает, что при наибольшей насыщающей интенсивности света продуктивность культуры в 4 раза выше при концентрации 1 %, чем при 0,25 % СO₂ и обратно: при одной и той же концентрации СO₂ продуктивность тем выше, чем выше интенсивность света. А чем выше продуктивность культуры, тем большее количество углекислого газа будет переработано в кислород.

Биомасса водорослей, получаемая при этом процессе, может быть использована как источник белка и физиологически активных соединений и идти как на корм сельскохозяйственным животным, так и непосредственно в питание человеку.

Табл.3. Состав сухой атмосферы Земли (по объему).

В данной таблице a(b) означает a*10^b.

Составляющая	Доли в единице объема	Молекулярная масса
N2	0,780840	28
O2	0,209476	32
Ar	9,34 (-3)	40
CO2	3,14 (-4)	44
Ne	1,818 (-5)	20,2
He	5,24 (-6)	4
CH4	2 (-6)	16
Kr	1,14 (-6)	83,8
H2	5 (-7)	2
O3	4 (-7)	48
N2O	2,7 (-7)	44
CO	2 (-7)	28
Xe	8,7 (-8)	131,3
NH3	4 (-9)	17
SO2	1 (-9)	64
NO2	1 (-9)	46
NO	5 (-10)	30
CCl4	1,2 (-10)	154
H2S	5 (-11)	34
HBr, BrO	примерно 1 (-11)	81; 96

Представляется естественным, что при составлении искусственной атмосферы ТБС не будет никакой необходимости в полном повторении состава земного воздуха, включая все микровключения. Состав искусственного воздуха может быть предположен следующим: N₂ - около 78 % (может варьироваться в сторону уменьшения за счет некоторого увеличения доли других компонентов), O₂ - 21 % (или более), Ar - 1 % и более. Для дальнейших расчетов в этой работе будет принят состав: N₂ - 78 %, O₂ - 21 %, Ar - 1 %.

Первичные расчеты показывают, что при переработке 1000 м³ марсианской атмосферной смеси (при "марсианских условиях" - м.у.), получим порядка 1,95 кг N₂ (27 м³ (м.у.)), 1,65 кг O₂ (20 м³ (м.у.)), 1,65 кг Ar (16 м³ (м.у.)), а также 104,75 кг СO₂ ((937 м³ (м.у.)).

На формирование воздушной смеси (состав: N₂ - 78 %, O₂ - 21 %, Ar - 1 %) объемом 1000 м³ (н.у.) потребуется порядка 975 кг N₂ (780 м³ (н.у.)), 300 кг O₂ (210 м³ (н.у.)), 18 кг Ar (10 м³ (н.у.)).

Для того, чтобы получить из марсианской атмосферы такое количество N₂, необходимо переработать порядка 500*10³ м³ атмосферной смеси.

Из этого объема при этом также будет выделено: 825 кг O₂, 825 кг Ar и 52375кг СO₂.

При этом следует учитывать, что необходимость в постоянной подпитке ТБС компонентами для составления воздушной смеси извне будет значительно уменьшена за счет внутрисистемного восстановления отработанной воздушной смеси. Так, азот может внутри системы ТБС циркулировать очень долго и его количество будет лишь немного уменьшаться за счет вовлечения в круговорот азота в биогеоценозах Зоны растениеводства (8), а, изымаемый из системы вместе с отработанным воздухом, он может быть вновь выделен в Блоке газоразделительного оборудования (1) и снова вовлечен в круговорот воздуха. Кислород, перешедший в отработанном воздухе в состояние углекислого газа, может быть частично восстановлен в Зоне растениеводства (8) или полностью в Блоке водорослей (3). Также углекислый газ должен удаляться в Камерах промежуточного дообогащения воздуха кислородом (6), будучи связываем там восстановимыми химическими поглотителями (к примеру, ХПИ (химический поглотитель известковый) - Са(ОН)₂, окисью кальция и т.п.). Таким образом, кислород и углекислый газ будут переходить друг в друга внутри системы, азот также будет циркулировать в ней и подпитка ТБС из атмосферы должна оказаться относительно невелика по отношению к циркулирующим внутри системы воздушным потокам, компенсируя потери газов ТБС в окружающую среду.

Являясь по своему характеру предварительной, данная глава этой работы ставит больше вопросов, чем решает. Вопросы, поставленные ею, представляются весьма важными для решения задач проектирования марсианских ТБС. Однако при этом, все вопросы представляются разрешимыми, а препятствия - принципиально преодолимыми.

ТБС-поселения на других планетах - Задача синтеза сырья для химической промышленности марс

В нашем обществе нефть по сию пору используется в большей части как источник энергии, хотя еще Менделеев в свое время говорил о том, что использование нефти подобным образом равноценно "топке печи ассигнациями". Ведь нефть - это, прежде всего, богатейший источник углеводородов для синтеза разнообразных полимеров, без которых наша современная жизнь просто непредставима. Применение изделий из полимеров столь обширно и разнообразно, что наше время вполне можно было бы, по аналогии с различными прошедшими периодами в истории человечества, назвать Веком Полимеров. При планировании колонизации Марса естественным образом встает вопрос об источнике углеводородов. Итак, зададимся вопросом: "Есть ли на Марсе нефть?"

Вопрос этот может показаться наивным - настолько Марс представляется иным по сравнению с нашей Землей. Естественным предполагается отрицательный ответ. Однако, на мой взгляд, вопрос о наличии или отсутствии нефти на Красной Планете является отнюдь не столь уж и явным. Напомним, что о возникновении нефти на Земле бытуют два представления: согласно первому она образовалась в результате разложения неких живых организмов, по второму углеводороды присутствовали на нашей планете изначально, будучи достаточно равномерно распределены по сформировавшему Солнечную Систему газопылевому облаку. Второе представление в последнее время получает все большее подтверждение (к примеру, в его пользу свидетельствуют данные, полученные при бурении Кольской сверхглубокой скважины). При принятии именно этой гипотезы за базовую предположение о наличии нефти на Марсе представляется уже не столь малореальным и фантастическим - ведь если углеводороды есть на Земле, есть в системах планет-гигантов, то почему им в таком случае не быть и на "промежуточном" Марсе?

Тем не менее, при столь слабых познаниях нашей науки о марсианской геологии и о закономерностях планетологии вообще, мы не можем при проектировании марсианской колонизации полагаться на возможно имеющиеся там углеводородные ресурсы. Поэтому, даже предполагая наличие нефти на Марсе, мы не вправе рассчитывать на скорое открытие месторождений гипотетической "марсианской нефти" и на их быстрое включение в эксплуатацию при проведении колонизации Марса. Представляется необходимым, в любом случае, иметь замену самородной нефти - либо на первое время, либо вообще на случай ее полного и принципиального отсутствия. Марсианский Проект должен быть полностью автономен от расчетов на возможность наличия каких-либо легкодоступных ресурсов, кроме тех, присутствие которых на планете является абсолютно достоверным и доказанным.

В качестве таковой замены нефти как источника углеводородного сырья предлагается способ извлечения углерода из марсианской атмосферы и связывание его водородом, полученным из местной воды (существование значительных количеств которой на Марсе представляется вполне доказанным), либо хлором, с получением углеводородных соединений для последующего производства из них полимеров. "Побочным продуктом" процесса будет являться кислород, который, естественно, найдет свое применение в Марсианском Проекте.

В свое время триумфом химической науки стала разработка в 1911 году промышленного синтеза аммиака из азотоводородной смеси. Неисчерпаемым источником азота в этом процессе является воздух. Создание производства аммиака и на его основе производств различных азотных удобрений сняло стоявшую перед цивилизацией угрозу "азотного голода".

Теперь Земля стоит на пороге "углеводородного голода" и возможно, что предлагаемая мной для Марса технология получения углеводородов из газообразного углекислого газа и воды будет когда-нибудь иметь свое применение и на нашей планете, хотя, скорее всего, в каком-либо модифицированном для земных условий виде.

В конце концов, углекислый газ на Марсе - наиболее распространенный компонент атмосферы, и эта его атмосфера может стать источником углерода для получения полимеров и других важных соединений промышленностью марсианских ТБС, также как стал для земной промышленности воздух источником азота.

Вот один из предлагаемых возможных вариантов:

Первичной реакцией этого варианта будет реакция разложения углекислого газа (СО₂), протекающая при высоких температурах:

1) СО₂ = С + О₂

Данная реакция при наличии достаточно мощного источника энергии не представляется особенно затруднительной для массового разложения углекислого газа на составляющие элементы. Полученный кислород из реакционной зоны удаляется и идет на обработку для дальнейшего использования, а углерод направляется на дальнейшее превращение.

Следующая стадия представляет собой получение карбида кальция (CаC₂). В промышленности его получают путем нагревания угля с негашеной известью в электрических печах при температуре порядка 2500° С по реакции:

2) 3С + СаО = CаC₂ + СО

Угарный газ (СО) в дальнейших превращениях не участвует и выводится из зоны реакции. Однако называть его при этом "отходом" было бы несправедливо, так как его вполне реально, к примеру, использовать на реакцию с хлором (СО + Сl₂ = СОСl₂) - образовавшийся фосген является применяемым сырьем для производства полимеров в современной промышленности, либо как составную часть синтез-газа (см. ниже).

3) CаC₂ + 2H₂О = Са(ОН)₂ + С₂Н₂

Получившийся в результате этой реакции ацетилен (С₂Н₂), являясь основным продуктом, выводится из зоны реакции. На основе ацетилена как исходного сырья имеются промышленно используемые технологии синтеза таких важнейших продуктов, как уксусная кислота, синтетический каучук, пластмассы, различные растворители и пр.

Гашеная известь (Са(ОН)₂) нагревом с отщеплением воды переводится в негашеную (СаО) и направляется на начало процесса:

4) Са(ОН)₂ = СаО + H₂О

Получившаяся в качестве побочного продукта вода может быть сконденсирована и направлена на третью стадию процесса.

Таким образом, итоговая реакция процесса, исключая побочную "фосгеновую" ветвь и реакции, связанные с восстановлением окиси кальция, который в реакциях является в принципе нерасходуемым, будет такой:

3СО₂ + H₂О = 3О₂ + СО + С₂Н₂

Исходными веществами для процесса будут являться такие простейшие и распространеннейшие вещества (наличие воды на Марсе признано в настоящее время в научных кругах уже не подлежащим сомнениям), как углекислый газ (СО₂) и вода (H₂О), а продуктами будут являться кислород (О₂) (необходимый как непосредственно для дыхания, так и, к примеру, как окислитель для двигателей транспорта, как вещество для химического синтеза различных веществ и т.п.), угарный газ (СО) (который может быть превращен, к примеру, в фосген, который, в свою очередь, может использоваться как сырье для дальнейшего синтеза и т.п.) и ацетилен (С₂Н₂), который является важным сырьем химического синтеза разнообразнейших веществ.

Так, одно из применений ацетилена заключается в производстве из него бензола (С₆Н₆):

3 С₂Н₂ = С₆Н₆

Также возможна полимеризация по другому пути - при пропускании ацетилена через раствор хлористой меди и хлорида аммония в соляной кислоте при 80оС образуется винилацетилен, который в дальнейшем, при присоединении НCl, превращается в хлоропрен, применяемый для получения синтетического каучука.

При присоединении воды, протекающем при каталитическом действии солей ртути (реакция Кучерова), получается виниловый спирт, который изомеризуется в уксусный альдегид. Данная реакция имеет большое промышленное значение, т.к. уксусный альдегид является в технике веществом, которое в огромных количествах применяется для получения уксусной кислоты, этилового спирта и ряда других веществ.

Также ацетилен служит в промышленности исходным продуктом для синтеза таких растворителей, как, например, трихлорэтилен и т.д.

Химически чистый ацетилен в смеси с этиленом (данный газ именуется "нарцилен") может применяться в качестве наркоза при хирургических операциях.

Итак, данный вариант получения сырья для химического производства марсианской колонии позволяет наладить производство на месте столь важных веществ, как каучук, различные растворители, ароматические вещества (производные бензола), уксусная кислота и т. д., что, несомненно, должно представлять интерес при проектировании серьезного освоения Марса. Предполагается, что создание технологии цепочки производств, максимально автоматизированных и взаимосвязанных, должно являться одной из главных задач проекта освоения.

Возражением может служить тот момент, что реакции начального этапа требуют для своего осуществления больших количеств энергии. Однако, не имея на иных планетах (равно как и в трудных для жизни уголках нашей планеты) большинства доступных ресурсов, мы должны идти по пути их "замены", а точнее, создания с помощью других доступных ресурсов, имеющихся в наличии, тех, что нам требуются. Одним из таких базовых ресурсов должна стать энергия. (О ресурсах см. в части 4.)

В качестве таких источников могут выступать на первых порах атомные электростанции, привезенные с Земли, а в дальнейшем энергетика ТБС-поселений должна строиться на основе использования местных возможностей - к примеру, энергии ветра, солнца или перепада ночных и дневных температур и т.п. В любом случае колонии обязаны иметь мощную энергетику.

Другой из возможных вариантов использования углекислого газа как источника углерода для дальнейшего синтеза сложных веществ:

Этот вариант основан на каталитических превращениях синтез-газа.

Первичной реакцией этого варианта также будет реакция разложения углекислого газа (СО₂), протекающая при высоких температурах, но идущая до промежуточной стадии - образования угарного газа (СО). Ее можно представить следующим образом:

2СО₂ = 2СО + О₂

Данная реакция также требует больших затрат энергии.

Полученный кислород из реакционной зоны удаляется и идет на обработку его для дальнейшего использования, а угарный газ направляется на дальнейшее превращения.

Второй исходной реакцией данного варианта представляет собой реакция электролиза воды:

H₂О = H₂ + О₂

Кислород также удаляется из зоны реакции и идет для дальнейшего использования.

Таким образом, мы получаем синтез-газ. Меняя катализаторы и условия, из него можно получать самые разнообразные соединения, причем ряд реакций достаточно хорошо отработан в промышленности.

Так, в настоящее время применяют следующие каталитические процессы переработки синтез-газа (СО + H₂):

1) синтез метанола (катализатор - оксиды Сu - Zn - Cr):

СО + 2H₂ = СН₃ОН

2) метанирование (катализатор Ni):

СО + 3H₂ = СH₄ + H₂О

3) синтез углеводородных смесей (процесс Фишера - Тропша) (катализатор Fe):

СО + H₂ = жидкие углеводородные смеси

4) синтез высших спиртов (катализатор Zn - Cr):

СО + H₂ = смесь метанола и высших спиртов

5) синтез альдегидов и спиртов гидроформилированием олефинов (катализатор Со или Rh):

RCH=CH₂ + СО + 2H₂ = RCH₂CH₂CHO

6) синтез органических кислот гидроксикарбонилированием непредельных соединений (катализатор Ni):

CH₂=CH₂ + СО + 2H₂О = CH₃CH₂CООH

7) синтез эфиров жирных кислот метоксикарбонилированием высших олефинов (катализатор Со):

RCH=CH₂ + СО + МеОН = RCH₂CH₂COОМе

Наиболее крупнотоннажным среди них является производство метанола. Метанол - многоцелевой полупродукт, из которого можно получить различные химические соединения. В промышленности освоены, например, синтез формальдегида (катализатор Ag или оксиды Fe - Mo):

CH₃ОН + 1/2 О₂ = H₂CО + H₂О

и получение уксусной кислоты (катализатор Rh):

CH₃ОH + СО = CH₃ CООH

Из формальдегида, в свою очередь, в химической промышленности производят массу других продуктов. Это мочевиноформальдегидные смолы, фенолформальдегидные смолы, бутандиол, ацетальные смолы, пентаэритрит, гексаметилентетрамин, меламинформальдегидная смола, мочевиноформальдегидные концентраты, хелатообразующие агенты и другие продукты.

Также представляются перспективными следующие процессы:

Гомологизация метанола в этанол (катализатор Со):

CH₃ОH + СО + H₂ = CH3CH₂ОH + H₂О

(это к вопросу о получении топлива для транспортных средств, о чем говорилось выше)

Синтез низших олефинов из метанола на высококремнистых цеолитных катализаторах.

Синтез этиленгликоля:

CH₃ОH = НОСH₂ СH₂ОН

Полагаю, приведенные примеры показывают, что организация химической промышленности в условиях минимума ресурсов принципиально возможна.

Впрочем, есть и еще один подход к проблеме. До сих пор часть сырья для химической промышленности производится с помощью определенных сельскохозяйственных производств. Примером могут служить плантации гевеи, дающие каучук. Представляется, что в условиях ТБС-поселений возможна различная комбинация тех или иных подходов, в зависимости от внешних условий и установленной эффективности различных производств.

ТБС-поселения на других планетах - Марсианские базы и поселения

Можно предположить, что при освоении Марса потребуется два типа ТБС-поселений - базовые поселения и исследовательские поселки. На первом этапе также потребуются первичные базы. Задачи создания первичных марсианских баз, построения базовых поселений и исследовательских поселков сильно различны между собой. Так, первичная марсианская база - это объект, который должен быть собран на месте высадки из привезенных с Земли блоков и материалов и обеспечить безопасную работу и жизнедеятельность первых партий поселенцев Марса. Базовые же поселения - это уже капитальные постройки, которые должны быть созданы с применением местных строительных материалов и призваны служить домом для поколений населения Марса. Исследовательские поселки - это передвижные временные поселения, задачей которых является проведение разведки и различных исследований.

Из разницы задач вытекает и разница в предъявляемых к этим классам объектов требований.

Первичная марсианская база должна отвечать следующим требованиям:
- простота и скорость сборки из готовых блоков и материалов,
- стопроцентная эффективность использования площадей (ничего лишнего);
- возможность разборки и перенесения базы на новое место;
- замкнутый цикл жизнеобеспечения;
- возможность развертывания систем частичного самообеспечения.

Базовые поселения (сеть базовых поселений) должны отвечать следующим требованиям:
- полное самообеспечение при замкнутом цикле жизнеобеспечения;
- наличие рядом с каждым из поселений месторождений каких-либо полезных ископаемых;
- наличие предприятий добычи и переработки этих полезных ископаемых;
- наличие внутреннего транспорта и транспорта, связывающего поселение с другими подобными;
- эффективное использование площадей, предполагающее, однако же, при этом и достаточную комфортность среды обитания;
- полная защита от радиации и других вредных факторов, безопасность среды обитания.

Исследовательский поселок должен отвечать следующим требованиям:
- мобильность, возможность быстрого перемещения с одного места на другое;
- наиболее возможная защита от радиации и других вредных факторов;
- замкнутый цикл жизнеобеспечения;
- наличие всей необходимой исследовательской аппаратуры, нужных инструментов и приборов, лабораторного оборудования и достаточных для проведения исследований помещений.

Начало колонизации Марса предполагает долгое предварительное изучение планеты автоматическими межпланетными станциями (АМС). Прежде чем на Марс отправятся люди, необходимо получить гораздо более полное представление о планете и об ее ресурсах, чем имеется на настоящее время. Постройке баз должны будут предшествовать разведочные экспедиции АМС, желательно с роботами-марсоходами, которые осуществят осмотр наиболее подходящих, выбранных заранее мест и снимут необходимые для привязки базы к местности замеры. Использовать для этих целей экспедиции с людьми нецелесообразно в силу их огромной затратности и большого риска. Из нескольких мест, проверка которых была проведена роботами, будут выбраны наиболее перспективные.

Одной из проблем строительства марсианских поселений станет тот факт, что наиболее пригодным для обитания районом является экватор с его более теплым климатом и гораздо более разнообразным - а следовательно, и более привлекательным с геологической и промышленной точки зрения рельефом, однако признаков больших количеств воды там пока не обнаружено. Полагают, что грунт в умеренных и экваториальных широтах, между параллелями 60 град. значительно прогревается и лед там отсутствует в слое толщиной от нескольких десятков до 300-400 м. (при этом на данный момент нет доказательств, что он имеется там вообще даже на больших глубинах). Поэтому, возможно, что если лед или другие источники воды (к примеру, гидраты солей) в более умеренных широтах не будут обнаружены, то придется строить как минимум одну базу в высоких широтах исключительно для решения задачи обеспечения водой главного района развития. При этом придется решать также проблему доставки этой самой воды в основной район развития, расположение которого естественно предположить в экваториальной местности. Задачу такой доставки нельзя назвать простой, т.к. применение на Марсе авиации труднопредставимо, прокладка же дорог или трубопроводов на большие расстояния в условиях неизученной и враждебной человеку планеты - задача не для начальных этапов колонизации. Подходящим средством для решения этой проблемы на первых порах представляется ракетный способ. Предполагая необходимость создания сети исследовательских баз, нужно представлять, что в любом случае придется решать проблему их сообщения между собой, а это, ввиду достаточно большой удаленности друг от друга, требует применения именно ракетного транспорта. В качестве такового возможно использование аппарата небольших габаритов и небольшой грузоподъемности, работающего на кислород-водородном топливе местного производства, получаемого электролизом все той же воды. В дальнейшем, при развитии на Марсе соответствующей инфрастуктуры, эта проблема должна быть решена другим способом - прокладкой дорог и (или) трубопроводов.

Таким образом, одной из главнейших задач первого этапа является нахождение залежей льда или гидратов солей как можно ближе к центральному району развития, а второго этапа - построение производства по добыче и переработке водяного сырья и налаживание пути доставки воды в центральный район развития.

Вообще, полагаю, что главными задачами первого этапа колонизации будут, прежде всего, геологическая разведка и поиск наиболее подходящих мест для основания поселений. При этом исследовательским поселкам отводится роль баз разведчиков. Сама же разведка должна осуществляться с помощью марсианских вездеходов, рассчитанных на длительное автономное существование вдали от баз и снабженных необходимым геологическим оборудованием, с экипажем, состоящим, как минимум, из двух человек.

Здесь стоит упомянуть о проблеме "инопланетного горючего", которая заключается в том, что на других планетах нет внешнего окислителя, такого как присутствующий в атмосфере нашей планеты кислород. В связи с этим энтузиастами изобретаются самые экзотические методы навроде применения на Марсе алюминиевого порошка, который будет гореть в атмосфере углекислого газа и давать таким вот нестандартным образом энергию для двигательной установки. Однако решение проблемы может быть гораздо более простым - всего-навсего придется возить с собой не только горючее, но и окислитель. В таком случае топливом может служить, к примеру, водород или, скажем, этиловый спирт либо другое подобное органическое вещество, что же до кислорода, то его в любом случае придется возить в баллонах в сжатом виде для дыхания, а, следовательно, технология такой перевозки будет достаточно отработанной. В любом случае этот способ лучше, чем возить с собой алюминиевый порошок.

Другое преимущество этого метода в том, что для его использования не придется разрабатывать двигатель новой системы - вполне подойдет обычный двигатель внутреннего сгорания. К тому же возможен сбор воды, получаемой в ходе сгорания вещества, используемого в качестве горючего.

Отмечу еще такой факт, говорящий в пользу спирта - это вещество может быть получено не только химическим синтезом, но и путем переработки растительной продукции. В ряде стран спирт, получаемый таким образом, уже в настоящее время применяется как горючее для транспортных средств.

На базе исследовательского поселка может быть размещено несколько таких вездеходов, также должна иметься ремонтная мастерская, диспетчерский пункт, осуществляющий контроль за действиями экспедиций и контакт с остальными базами, в том числе и центральной. В таком исследовательском поселке также должны быть: системы обеспечения жизнедеятельности и теплового режима, энергетические установки (работающая и как минимум одна дублирующая), жилые помещения, лаборатории, столовая и кухня, выходные шлюзы, ангары для техники и др.

В отличие от баз, поселения - это уже капитальные строения со своими добывающими и перерабатывающими предприятиями и производствами, которые обеспечивают население всем необходимым.

Марсианские ТБС-поселения подчиняются описанным выше принципам (см. часть 4 "Технобиосфера"), и при их создании будет применен опыт использования ТБС-поселений на Земле. Будут, конечно, и некоторые различия - к примеру, в целях радиационной безопасности поселения на Марсе должны быть заглублены в грунт.

Технология их постройки, по моему представлению, такова: после тщательного подбора места, в большом котловане (за основу которого может быть взято и какое-либо естественное углубление) строятся жилые и производственные здания, возводятся опоры. Далее на опоры (в качестве них используются также и несущие стены зданий) возводится крыша, которая впоследствии засыпается сверху слоем грунта. Таким образом, получаются рукотворные пещерные миры, причем высота пещер может составлять от 5-10 м (у стен) до 15-20 м в центре, что позволяет на сформированной из измельченного местного грунта, удобрений и остатков жизнедеятельности людей и животных земле посадить различные растения. Энергия для роста растений и освещения поселений будет поступать от размещенных под потолком светильников. Климат возможно будет регулировать с помощью нагревательных элементов, так что в таких мирах будет "вечное лето".

Для полива достаточно разместить под крышей соответствующие поливальные устройства, так что даже дождь будет там вполне земным. Таким образом, появляется возможность создания небольших рукотворных миров, т.е. как бы терраформирование в уменьшенном масштабе. Леса фруктовых деревьев, поля, озера и даже небольшие речки - все это вполне может стать элементами пейзажей марсианских поселений. Производства, способные загрязнять эту рукотворную среду обитания, должны быть размещены вне ее, и к ним, а также к другим подземным секциям поселения и к другим поселениям должны быть проложены соответствующие коммуникации.

Таким образом будут сформированы жилые зоны будущих поселений. Основная часть сельскохозяйственной продукции, как и в описанных выше земных ТБС-поселениях, будет выращиваться в секторах сельскохозяйственного производства, где будут обеспечены лучшие результаты. Но, тем не менее, некоторая ее часть, как я полагаю, будет производиться и на таких вот плантациях "под открытым небом", которые, кроме производства продукции, будут еще и украшать собой подземные миры, делая обитание в них людей более комфортным.

Говоря о формировании искусственного ландшафта, нельзя не упомянуть о неудаче проекта "Биосфера-2", которая может быть выставлена как противоречие высказанным мною предложениям. Я считаю, что такое противоречие будет неправомерно, так как при проектировании "Биосферы" ставились совершенно иные задачи, вследствие чего "биосферщики" попытались механически перенести всю природную среду, что совершенно ни к чему делать в данном случае. Кроме того, совершенно необязательно пытаться решить все проблемы только лишь насаждением растений - поддержание кислородного баланса возможно и необходимо производить сочетанием одновременно нескольких методов: природным (с помощью флоры поселения), водорослевым (наработанные методики очистки воздуха с помощью водорослей уже имеются), химическим - связывание антропогенных токсинов с помощью различных фильтров и абсорбентов, и т. п.

(О создании подходящей для жизни людей атмосферы я попытался немного порассуждать в главе "Формирование воздушной среды в марсианской ТБС").