Как получить доступ к воде на Марсе: обзор двух самых перспективных технологий
Пилотируемые экспедиции на Марс столкнутся с серьезной проблемой: людям и технике нужна будет вода. Везти все необходимое с Земли дорого и практически невозможно. Поэтому колонистам придется добывать воду на месте, используя ресурсы Красной планеты. Ученым уже известно, что на Марсе H2O существует в разных формах: как лед под поверхностью планеты, влага в самом марсианском грунте и даже водяной пар в тонкой атмосфере. Но насколько реально получить воду из этих источников и какой способ эффективнее?
Недавнее исследование ученых из Глазго представило сравнительный анализ технологий добычи воды на Марсе. Они сравнили два основных подхода: добычу воды из марсианского грунта (англ. Water Extraction from the Regolith, WER) и сбор воды из атмосферы (Atmospheric Water Harvesting, AWH), а также их практическую применимость в будущих экспедициях.
Добыча воды из марсианского грунта (WER)
Марсианский реголит — это сухой поверхностный слой измельченной породы и пыли. Однако под ним часто скрывается лед. Орбитальные аппараты и марсоходы обнаружили его залежи, особенно в умеренных и полярных широтах. Подповерхностный лед — самый богатый и доступный источник воды на планете.
Китайский марсоход обнаружил следы недавней водной активности на Красной планете
Колонисты могут бурить грунт, извлекать лед и растапливать его. Это не требует огромных затрат энергии. По оценкам NASA 1990-х годов, чтобы получить 1 кг воды из насыщенного льдом грунта, нужно 13 МДж (около 3,6 кВт·ч). Столько потребляет бытовой электрочайник за пару часов работы.
Главная проблема — выбор места посадки. Первые экспедиции технически проще сажать на экваторе и в низких широтах: там теплее. Но доступного льда там, скорее всего, нет. Богатые запасы расположены в высоких широтах, ближе к полюсам, где условия для высадки и работы техники намного сложнее.
Инженеры рассматривают альтернативу: нагревать грунт, чтобы выпаривать влагу из льда или гидратированных минералов. NASA уже испытывало подобные технологии — от буров для мерзлоты до печей, выпаривающих воду из породы. Эффективность зависит от конкретной точки: если грунт окажется сухим, даже мощный нагрев даст лишь граммы воды.
Этот метод требует тяжелого оборудования и энергии, но при удачном выборе места обеспечит большие объемы воды. Если поставить базу над залежами льда, колония получит стабильный «водопровод» и сможет накапливать запасы.
Большинство проектов марсианских баз делают ставку именно на грунт: это надежнее и экономичнее работы с атмосферой. Однако у метода есть серьезные минусы: жесткая привязка к месту, сложность бурения и энергозатраты на разогрев. Если бур сломается или лед в скважине закончится, база останется без воды. Поэтому ученые ищут дополнительные способы водоснабжения.
Сбор воды из марсианской атмосферы (AWH)
Атмосфера Марса содержит водяной пар, но его концентрация ничтожна — в среднем 0,03%. Это в десятки раз меньше, чем в земных пустынях. Давление у поверхности в 160 раз ниже земного, поэтому извлекать воду из такого воздуха сложно.
Неслыханная дерзость: кислород из марсианского воздуха
Метод AWH улавливает рассеянную влагу. Воздух охлаждают до конденсации капель или пропускают через гигроскопичные материалы, которые впитывают воду. На Земле эти технологии работают, но на Марсе им мешают экстремально низкие температуры.
Ранние оценки 1980–1990-х годов разочаровывали. Расчеты показали: чтобы сконденсировать 1 кг воды, нужно 300–360 МДж (около 100 кВт·ч). Это потребление среднего обогревателя за четверо суток. По сравнению с добычей из грунта (13 МДж), атмосферный метод требовал в 20–30 раз больше энергии. Из-за этого его долго не принимали всерьез.
В 1998 году ученые предложили прототип «водяной фермы» WAVAR. На полюсе система тратила бы приемлемые ~28 МДж на 1 кг воды. Но в низких широтах (район посадки аппарата Viking 1) расход взлетал обратно к 300 МДж. Атмосфера дает воду в любой точке планеты, но часто — слишком высокой ценой.
Однако у AWH есть весомые плюсы — универсальность и простота. Водяной пар доступен повсюду, поэтому не нужно искать особые геологические зоны или бурить глубокие скважины. Установки проще по устройству, их можно разместить в любом регионе.
Атмосферные системы проигрывают грунтовым в энергоэффективности, но незаменимы как страховка. Компактные сборщики могут снабжать водой выездные группы или поддерживать базу в сухих районах. Если сломается бур или иссякнет ледник, «ловцы влаги» станут аварийным резервом.
Полностью обеспечить поселение водой из воздуха сложно. Автор сравнительного анализа Василис Инглезакис резюмирует: добыча из атмосферы не станет основным источником, но эффективна как вспомогательный.
Сравнение и перспективы для будущих экспедиций
Выбор технологии зависит от условий в месте посадки. Если экспедиция приземлится в районе с подтвержденными запасами льда, его добыча станет приоритетом. Лед дает большие объемы воды при умеренных энергозатратах. Это лучший вариант для долгосрочной базы: экипаж бурит скважину и получает стабильный источник.
Однако первые пилотируемые миссии могут высадиться в «сухих» зонах. В таких случаях технологии придется комбинировать. Влага из грунта и атмосферы закроет потребности коротких миссий и выручит в аварийных ситуациях. Если сломается основной насос или иссякнет скважина, астронавты продержатся на воде из воздуха. Также атмосферные сборщики послужат мобильным источником для дальних выездов. Распределенная система надежнее: поломка одного узла не оставит колонию без воды.
Оба метода требуют мощных источников энергии — ядерных реакторов или обширных солнечных ферм. При добыче из грунта нужно питать буры и нагреватели. При сборе из атмосферы энергия уходит на круглосуточную работу компрессоров и систем охлаждения.
Бывший директор отдела тактических технологий DARPA: космонавтику ждет «ядерный ренессанс»
Зато атмосферные установки легче масштабировать: чтобы увеличить добычу, достаточно добавить новые модули-поглотители. Нарастить объем воды из грунта (метод WER) сложнее: мешают геология, глубина залегания льда и пределы мощности буров.
Скорее всего, экспедиции используют гибридный подход. Грунт обеспечит основной поток воды, а воздух — дополнительные литры. Это сделает базу устойчивой и независимой от поставок с Земли.
Источник иллюстрации на обложке: ESA
Самое популярное
