Большая марсианская проблема — энергия

Вы слышали о планах SpaceX отправить нас на Марс и построить долгосрочную базу. Изыскания человечества в межпланетном пространстве! Звучит фантастически, правда? Но с Марсом есть одна вопиющая проблема, о которой мало кто говорит. Это не токсичная почва, не смертельная радиация, не разреженная атмосфера, слабая гравитация или ничтожное количество воды. Даже если мы решим эти проблемы, Марс не станет нам уютным домом. Большая проблема заключается в энергии.

Чтобы поддерживать человечество, особенно на такой негостеприимной планете, как Марс, нужно много энергии. В сравнении с Землёй Красная планета холодная, токсичная и безвоздушная, а это значит, что как только мы доберёмся туда, понадобится устрашающее количество жизнеобеспечения. 

База нуждается не только в давлении, но и в постоянном уравновешивании уровней углекислого газа, кислорода и азота, и всё это в то время, пока поддерживает тепло, чтобы защититься от холода снаружи. 

Чтобы наши пионеры выжили на Марсе, еду и воду нужно вырастить, дистиллировать и переработать. Всё это отнимает довольно много энергии. Не говоря о том, сколько нужно кофе, чтобы оставаться в здравом уме.

Подсчитано, что марсианской базе потребуется около 90 кВт на человека. а значит, на миссию в 12 человек потребуется 1080 кВт. Это примерно такая же мощность, что и у Bugatti Chiron на непрерывном полном газу. Для сравнения: в среднем американском доме потребляется 1,4 кВт, а это потребление постоянно включенного чайника. Как доставить такое огромное количество энергии на Марс?

Один из вариантов — Солнце. Солнечные батареи относительно недороги, просты в установке и настройке. Даже я могу взять простую схему солнечной панели, чтобы заряжать телефон. Не нужно иметь степень физика-ядерщика, чтобы их эксплуатация была безопасной. Так почему бы не построить на Марсе массивную ферму солнечных батарей?

Ну, есть две причины, почему эта идея плохая. Марс дальше от Солнца и получает намного меньше солнечной энергии, то есть около 60 % от той, что доходит до Земли. Я легко сгораю на Солнце, так что для моих ушей это звучит как музыка. Солнечные панели на Земле могут производить 0,175 кВт на квадратный метр батареи, но на Марсе они смогут выдать только 0,105 кВт/м. Для питания базы понадобится 10 286 кв.м, но это при условии, что панели всё время идеально освещены!

На самом же деле половинусуток одна из сторон планеты не освещена, так что нужно умножить площадь на 2, получается 20,571 кв.м., а это 4,6 полей для регби. Нужна огромная батарея с ёмкостью не меньше 12960, чтобы обеспечивать питание ночью. 

Если измерять в нынешних батареях Tesla, такая батарея весила бы около 82 тонн. Для команды в 12 человек это огромный груз, чтобы просто взять и установить его, имея в виду, что сделать это нужно достаточно быстро, иначе у наших исследователей не будет еды, тепла и кислорода.

Но ещё эта цифра предполагает чистое небо На Марсе нет облачного покрова, как на Земле, но есть покрывающие всю планету пыльные бури, они закрывают Солнце на недели или, возможно, месяцы. Когда ваша жизнь зависит от солнечной энергии, это нехорошо: из-за этих бурь мощность упадёт фатально. Прекратится рост растений, то есть еды, отключатся кислородные машины, уйдёт тепло, остановится переработка воды, перестанет работать даже кофемашина. Из-за большой бури наша солнечная база погибнет. Так что давайте не будем полагаться на Солнце.

А что насчёт возобновляемых источников, ветряными или геотермальными? Атмосфера Марса настолько тонкая, что сила ветра нам не подходит, но геотермальные источники, возможно, будут работать.

Прямых доказательств существования термальных источников у нас нет, кроме случайных выбросов метана, однако они могут исходить от организмов, подобных бактериям. Более того, если и есть геотермальные источники, то они пролегают на глубине километров. Чтобы добраться до такого источника энергии, потребуется огромная инфраструктура, которой на Марсе нет. 

В сравнении с Землёй Марс геологически мёртв. На планете нет активных вулканов, разломов или всплесков магмы, поэтому количество энергии от одной геотермальной станции сомнительно. Вполне возможно, что возобновляемая энергия не будет стоить монументальных усилий.

Значит, никакие современные возобновляемые источники энергии на Марсе работать не будут. А что насчёт чего-нибудь более опасного, например ядерной энергии?

Мы бы посмеялись, если бы на Земле уже работала энергия синтеза . Можно было бы задействовать поток электричества, чтобы разделить марсианскую воду на кислород и водород, насытив кислородом базу и обеспечив реактор топливом. Даже грустно, что такого технологического чуда не существует.

Мы могли бы использовать те же плутониевые реакторы, которые обеспечивают энергией марсоход Opportunity (MMRTG), они лёгкие, мощные и безопасные по замыслу. Они берут тепло радиоактивного распада и с помощью термоэлектрических генераторов превращают его в электричество, поэтому нет необходимости в массивных паровых турбинах, которые применяются на Земле. Но это даст только 0,124 кВт на реактор в 45 килограмм. Чтобы обеспечить энергией базу из 12 человек, (которая весила бы 391 тонну), нам понадобилось бы 8709 таких реакторов!

Не знаю, что думаете об этом вы, но тащить такую массу на Марс всего на 12 человек, — это звучит не очень практично.

К счастью, в NASA разработали новый реактор — систему Kilopower Эта система использует уран и двигатели Стерлинга, чтобы получать 10 кВт электроэнергии в течение 15 лет, а весит всего 1500 кг! Чтобы обеспечить питанием базу и 12 человек, нам понадобилось бы 108 таких реакторов, а весить она будет в общей сложности 163 тонны. Это значительная экономия, но вес по-прежнему велик.

Космический корабль SpaceX может доставить на Марс до 150 тонн. Это означает, что несколько ракет могли бы доставить всю базу, припасы и 108 реакторов Kilopower, необходимых, чтобы обеспечить базу энергией. Нет необходимости в солнечной энергии — нужна просто колоссальная ракета, до краёв набитая реактором и ураном около оружейного. Это кажется безопасным… Но перспектива здесь краткосрочная. 

Долгосрочный Марс — совсем другая история, этих реакторов хватит на 15 лет, а нашим марсианам нужно больше. На поверхности Красной планеты есть урановая руда, которую могли бы использовать наши марсиане. Но есть две проблемы. 

Во-первых, прежде чем использовать руду как топливо, её нужно очистить, что требует значительных усилий промышленного масштаба и огромного количества энергии. Даже если вам удастся переработать ядерное топливо на Марсе, мы не знаем, сколько его там. Возможно, большое количество урана распалось в естественных реакторах миллиарды лет назад. Другими словами, похоже, колония всегда будет зависеть от ядерного топлива с Земли.

По мере истощения активной зоны и потери мощности каждые 15 лет 108 реакторов будут нуждаться в замене урана. Каждому реактору необходимо 226 кг урана, то есть 24400 кг, чтобы загрузить топливом все реакторы. Это возможно сделать с помощью одного межпланетного корабля SpaceX, так что заправка базы из 12 человек вполне выполнима.

Когда мы смотрим на крупномасштабный марсианский город, а не просто на одинокую базу, ситуация ухудшается и зависимость Марса от Земли становится очевидной. Допустим, в марсианском городе с населением 100 000 человек мы можем снизить потребление до 10 кВт на человека (оценочное предположение). Понадобится 100 000 реакторов Kilopower, требующих 22 600 тонн урана каждые 15 лет. Это, относительно небольшое количество урана. Типичная земная атомная электростанция потребляет в 4,6 раза раза больше.

Этот значительный груз помещается в чуть больше чем 150 кораблей разом, за один заход, можно отправлять на Марс 22 загруженных ураном звездолета каждые 26 месяцев, когда Марс максимально приближен к Земле. При этом даже не учитываются контейнеры, которые понадобятся для безопасного хранения урана, так что нужно ещё больше ракет. Счета за городское электричество будут мучительно болезненными.

В действительности мечта Илона Маска о независимом Марсе — это залог. Если колония полагается на постоянный поток ядерного топлива с Земли, то как она вообще может стать независимой? Вряд ли марсиане смогут торговать с Землёй, поскольку на Марсе нет ни одного ценного ресурса, которого не было бы в изобилии на Земле. В смысле энергии Марс, кажется, навсегда связан с Землёй.

Что еще хуже, запасы урана иссякнут. Даже не принимая во внимание утечку топлива на Марс, при наших нынешних темпах потребления мы исчерпаем качественный в смысле топлива уран чуть больше чем через 200 лет: на Земле осталось приблизительно 5,5 миллионов метрических тонн этого вещества.

Если к тому времени Марс не сможет перейти на другой источник энергии, колонии придется искать ядерное топливо в другом месте. Это трудно, даже если возможно. Можно либо перерабатывать некачественный марсианский уран, либо добывать иные радиоактивные элементы из пояса астероидов. Оба варианта скорее всего не станут практичными ещё 200 лет, если практичность здесь вообще возможна.

Так какой источник энергии мы можем использовать? Если колония переключатся на солнечную энергию и если не будет достаточных запасов энергии, одна сильная пыльная буря убьёт всех людей на планете. Даже если иметь в виду очень большую солнечную ферму и лучшие аккумуляторы, люди всё равно жили бы в страхе перед пыльными бурями.

Это может прозвучать мрачно, но Марс энергетически мёртв. Есть шанс, что на Марсе существует какая-то жизнь, зацепившаяся за небольшое количество химической и планетарной термальной энергии, но Земля в этом смысле в другой лиге, именно поэтому человечество может процветать здесь. Если мы действительно собираемся оккупировать Марс, нам нужно адаптироваться к окружающей среде с малым количеством энергии. Мы можем создать герметичные базы, даже терраформировать планету, но есть одна вещь, изменить которую мы не можем: энергии на Марсе меньше, чем на Земле.

Однако надежда есть. Мы знаем, что современное общество крайне нуждается в энергии, из за неё мы превратились в жирных котов, но не хотим так жить. Человечество столь успешно потому, что может адаптироваться, чтобы процветать; то же самое мы можем сделать и на Марсе. 

Хотя я показал в этой статье, что обеспечить энергией марсианскую базу или колонию — сложная задача, я также показал, что решить её не невозможно. Мы сможем это сделать. Это будет трудно, но мы, люди, чертовски хороши в том, что трудно! Так что увидимся на Марсе?

P.S. А как же межпланетный интернет, — а значит и энергия на связь? Не оставим же мы свою марсианскую колонию в информационном вакууме? Вечная зависимость Марса от Земли тоже вызывает вопросы, такая ли она вечная, как говорит о ней автор статьи. В общем и целом остаётся много неосвещенных тем и неучтённых факторов, зато нам есть о чём поговорить в комментариях.

Узнайте, как прокачаться в других специальностях или освоить их с нуля:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering