Как получить доступ к воде на Марсе: обзор двух самых перспективных технологий

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)

Под грунтом Марса (реголитом) понимается поверхностный слой породы, часто сухой и измельченный в пыль. Тем не менее под тоннами этого песка может скрываться лед. Орбитальные аппараты и марсоходы нашли признаки залежей льда, особенно ближе к полярным и умеренным широтам Марса. Такой подповерхностный лед — наиболее богатый источник воды, доступный на планете.

Китайский марсоход обнаружил следы недавней водной активности на Красной планете

Исследование подтверждает: подповерхностный лед считается самым перспективным долгосрочным источником воды. В идеальном случае колонисты могли бы пробурить грунт, добыть лед и растопить его с относительно небольшими энергетическими затратами. Например, оценки NASA еще в 1990-х годах показали, что на извлечение 1 кг воды из богатого льдом грунта может потребоваться порядка 13 МДж энергии (это около 3.6 кВт·ч, то есть не больше, чем расходует бытовой электрочайник за пару часов работы).

Однако есть нюанс: там, где удобнее сажать первые экспедиции, может не оказаться льда под ногами. На экваторе и в низких широтах Марса, где теплее и проще условия для техники, вероятнее всего нет доступного льда. Богатые льдом области расположены на высоких широтах, ближе к полярным регионам, куда высадиться сложнее из-за холода и других факторов.

Поэтому инженеры рассматривают и другие варианты WER: например, нагрев марсианского грунта, чтобы выпарить и собрать содержащуюся в нем влагу, которая присутствует в виде льда или гидратированных минералов. NASA экспериментировало с такими технологиями — от буровых установок для сверления промерзшего грунта до печей, способных выпаривать воду из марсианской породы. Но эффективность этих методов зависит от содержания воды в конкретном месте. Грунт может оказаться слишком сухим, и тогда даже мощное нагревание даст считанные граммы воды.

Добыча воды из грунта требует массивного оборудования и энергии, но при удачном выборе места способна обеспечить большие объемы. Если колония расположится над запасами льда, эта технология станет основным «водопроводом» для марсианских поселенцев. К тому же, воду из грунта можно получать непрерывно, накапливая запасы.

Практически все планы марсианских баз делают ставку на воду из грунта — этот способ исторически считался надежнее и экономичнее, чем работа с атмосферой. Тем не менее привязка к конкретному месту, сложности бурения и энергозатраты на разогрев пород — серьезные минусы. В случае поломки буровой установки или истощения местного запаса льда база может остаться без воды. По этой причине ученые ищут резервные и дополнительные способы водоснабжения.

Сбор воды из марсианской атмосферы (AWH)

Атмосфера Марса содержит водяной пар, хотя и в очень малой концентрации — в среднем всего около 0,03%. Земной воздух в пустыне содержит в десятки раз больше влаги. Марсианский воздух также крайне разреженный (давление у поверхности примерно в 160 раз ниже земного), поэтому получение воды «из воздуха» — непростая задача.

Неслыханная дерзость: кислород из марсианского воздуха

Идея AWH состоит в том, чтобы извлечь рассеянную атмосферную влагу, например, охлаждая воздух до конденсации капель или пропуская его через специальные гигроскопичные материалы, впитывающие воду. Подобные технологии существуют на Земле (например, устройства для получения питьевой воды из воздуха в пустынях), но на Марсе все осложняется низкой температурой и влажностью.

Ранние оценки были неутешительны: расчеты 1980-х — 1990-х годов показали, что на конденсацию 1 кг воды из марсианской атмосферы может уйти колоссальные 300–360 МДж энергии. Это приблизительно 100 кВт·ч — столько электричества потребляет средний обогреватель за четыре суток непрерывной работы. По сравнению с 13 МДж для воды из грунта, выходило, что атмосферный метод в 20–30 раз энергорасточительнее. Неудивительно, что долгое время AWH не рассматривали всерьез. 

Даже когда ученые предлагали прототипы «водяных ферм» для Марса — например, систему WAVAR в 1998 году, — в лучшем случае удавалось снизить затраты до ~28 МДж на 1 кг воды в условиях полюса. А в условиях, похожих на место посадки аппарата Viking 1 (равнина в низких широтах), тот же прототип требовал около 300 МДж на килограмм — это непозволительная роскошь. Проще говоря, атмосфера может дать воду почти в любой точке Марса, но ценой большого расхода энергии.

Однако у подхода AWH есть и плюсы, которые вновь привлекли к нему внимание. Прежде всего — универсальность и гибкость. Атмосферная вода хоть и «размазана» тонким слоем по всей планете, доступна повсюду. Для ее сбора не требуется выбирать участок с определенной геологией или бурить метровые скважины. Теоретически небольшие установки-поглотители влаги можно ставить где угодно, даже рассредоточить вокруг базы. Новое исследование подчеркивает, что системы атмосферного сбора проще по устройству и могут работать практически в любых регионах, куда, возможно, не дотянутся буровые установки. 

За эту простоту приходится платить энергией: «атмосферные» системы потребляют больше мощности, чем установки для грунта. Тем не менее они способны стать полезным вспомогательным источником чистой воды, децентрализованным и независимым от рельефа. Например, компактные сборщики влаги могли бы снабжать водой отдаленные выездные группы астронавтов или поддерживать базу, расположенную в сухом районе, где с бурением не сложилось. Особенно ценен такой резерв в чрезвычайных ситуациях: если основной источник воды внезапно выйдет из строя, атмосферные «ловушки» влаги могли бы временно его подстраховать.

Важно понимать, что по расчетам собирать воду из атмосферы в больших количествах трудно, поэтому на одну только эту технологию полагаться не получится. Автор сравнительного анализа Василис Инглезакис отмечает: добыча воды из воздуха на Марсе вряд ли сможет стать основным источником, но вполне имеет потенциал в роли дополнительного. 

Сравнение и перспективы для будущих экспедиций

Оба рассматриваемых подхода имеют свои сильные и слабые стороны, и выбор технологии для конкретной марсианской миссии будет зависеть от местных условий и потребностей. Если экспедиция сможет приземлиться в районе с подтвержденными запасами льда в грунте, то добыча воды из этого льда станет приоритетным вариантом. Лед дает наибольшие объемы воды при относительно умеренных затратах энергии. Такой вариант наиболее реалистичен для долгосрочной базы или колонии: экипажам экспедиции остается пробурить грунт, растопить лед и получить стабильный источник. 

С другой стороны, первые пилотируемые миссии могут оказаться в менее благоприятных местах, где большого льда нет. В таких случаях придется комбинировать технологии. Влага, содержащаяся в марсианском грунте и атмосфере, может восполнить часть потребностей — особенно когда речь о кратковременных миссиях или аварийных ситуациях. Например, в экстренной обстановке астронавты могли бы собрать немного воды прямо из воздуха, чтобы продержаться до прибытия помощи. Атмосферные сборщики воды могут играть роль страховой сетки и мобильного источника для разведывательных походов вдали от базы. Такая распределенная система повышает надежность водоснабжения: даже если основной колодец иссякнет или сломается насос, колония не останется сразу без воды.

При планировании марсианской базы инженерам важно учесть энергоемкость и масштабируемость каждого метода. Добыча льда из грунта потребует мощных энергетических установок (вероятно, ядерного реактора или обширных солнечных ферм) для питания буров, нагревателей и насосов. Сбор воды из атмосферы тоже не обходится без энергии: нужны компрессоры, охлаждающие элементы или системы адсорбции, которые должны работать круглосуточно.

Бывший директор отдела тактических технологий DARPA: космонавтику ждет «ядерный ренессанс»

При этом атмосферные установки легче масштабировать: чтобы увеличить добычу, можно просто поставить больше модулей-поглотителей. Система WER, напротив, масштабируется сложнее — добывать воду быстрее зачастую мешают геология участка, глубина залегания льда и ограниченная производительность бурового оборудования. Поэтому вполне вероятно, что в марсианской экспедиции будут задействованы оба подхода. Основной поток воды может идти из грунта, а вспомогательные устройства соберут дополнительные литры из окружающего воздуха. Такой гибридный подход сделает экспедицию максимально независимой от Земли и устойчивой.

Источник иллюстрации на обложке: ESA