Машины для Марса можно строить разные: колесные, гусеничные, полугусеничные и даже на механических ногах – все они успешно станут двигаться по поверхности. Куда важнее то, каким образом транспортное средство будет снабжаться энергией.

Единственные автомобили, до сего момента использовавшиеся в космосе, – это лунные роверы программы «Аполлон», негерметичные и работающие от батарей. Если бы мы взяли самые современные литий-ионные аккумуляторы (похожие на те, что стоят в видеокамерах) и зарядили бы их, чтобы роверу хватило питания на 10 часов, такая система могла бы производить около 10 Вт энергии на каждый килограмм своего веса. А вот если бы вместо батарей мы использовали водородно-кислородные топливные ячейки вроде тех, что обеспечивали электроэнергией шаттлы, то соотношение энергия/масса в системе удалось бы поднять примерно до 50 Вт/кг. Это, конечно, был бы прогресс, но другая знакомая вам технология кажется куда более эффективной.

Соотношение энергии и массы у двигателей внутреннего сгорания может достигать значения 1000 Вт/кг. Это в 20 раз выше, чем у водородно-кислородных топливных ячеек, и в 100 раз выше, чем у систем, работающих от аккумуляторов. Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают гораздо большую мощность при значительно меньшей массе в сравнении со всем остальным (и именно по этой причине стоят в подавляющем большинстве земных транспортных средств). Данное преимущество можно использовать для наших марсианских автомобилей. При такой массе системы жизнеобеспечения размеры автомобиля будут прямо пропорциональны его скорости, которая, в свою очередь, пропорциональна энергии. Но если вы попытаетесь добиться одинаковой мощности двигателя внутреннего сгорания и альтернативной системы, то вес последней легко может оказаться чрезмерным. Представьте себе ровер, имеющий мощность 50 кВт (около 65 л. с). Масса двигателя внутреннего сгорания в этом случае будет около 50 килограммов, тогда как топливных баков для обеспечения такой же мощности понадобится около 1000 килограммов. В автомобиль с двигателем внутреннего сгорания можно будет погрузить исследовательского оборудования и продовольствия на 950 килограммов больше, чем в ровер, работающий на водородно-кислородном топливе, и при этом в плане выносливости, грузоподъемности и размера первое транспортное средство будет выигрывать.

Кроме того, автомобиль с двигателем внутреннего сгорания можно практически неограниченно снабжать энергией, что позволит экипажам на выезде проводить энергоемкие научные исследования на таких расстояниях от базы, о которых раньше мы и не помышляли. Например, экипаж может отправиться на герметизированном автомобиле с двигателем внутреннего сгорания на разведку к удаленному участку и сгенерировать 50 кВт энергии для запуска буровой установки, чтобы попытаться достичь уровня марсианских грунтовых вод. Скорость передачи данных также пропорциональна энергии, а следовательно, в случае с двигателем внутреннего сгорания она может быть намного выше, что, в свою очередь, увеличит и безопасность экипажа, и научную результативность поездки. Более того, благодаря двигателям внутреннего сгорания можно будет использовать маленькие и легкие электростанции, необходимые для быстрых и маневренных одноместных вездеходов. Как и на Земле, такие универсальные внедорожники сильно помогут исследователям, работающим в марсианской «глубинке».

Двигатели внутреннего сгорания также могут быть использованы, чтобы обеспечить большим количеством энергии главную базу или удаленную стройку (бульдозеры и пр.). В конечном итоге большее энерговыделение таких двигателей обеспечит большую мобильность при использовании компактных, легких и гораздо более функциональных транспортных средств, что сделает программу исследования Марса эффективной и экономически выгодной во всех отношениях. Если мы хотим добиться там чего-либо серьезного, нам понадобятся транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. Но есть одна загвоздка.

Для использования таких машин требуется очень много топлива. Например, по моим оценкам, герметичный ровер весом в тонну потребует около 0,5 килограмма метаново-кислородного топлива на один километр пути. Таким образом, поездка на 800 километров от базы и обратно обойдется примерно в 400 килограммов топлива. Если преодолевать в среднем по 100 километров в день, экспедиция займет восемь дней. За те 600 дней, что миссия будет оставаться на Марсе, придется совершить много таких поездок. Если использовать ровер описанным образом в течение всего 300 дней из 600, он израсходует 15 тонн метаново-кислородной смеси. Необходимость импортировать такую массу топлива с Земли только для обеспечения работы ровера – это настоящая логистическая катастрофа. Если мы хотим пользоваться на Марсе транспортными средствами с двигателями внутреннего сгорания, мы должны быть в состоянии изготовить для них топливо на месте.

На марсианские автомобили можно установить любой из двигателей внутреннего сгорания, что сегодня применяются на Земле, в том числе бензиновый, дизельный или газовые турбины. Однако, если вы станете сжигать чистое ракетное топливо, например смесь метана и кислорода, двигатель будет сильно перегреваться и быстро выйдет из строя. Разбавление горючей смеси атмосферным углекислым газом, подаваемым вентилятором, снимает проблему. Диоксид углерода действует как инертный буферный газ, он будет снижать температуру пламени так же, как на Земле это делает содержащийся в воздухе азот.

Размер марсианского ровера, приводимого в движение путем химического сгорания, будет в решающей степени зависеть от соотношения энергии и массы используемого топлива. Хотя на Марсе в принципе можно использовать любое двухкомпонентное топливо, не следует забывать об издержках транспортировки, поэтому большая его часть должна быть изготовлена на месте из марсианских материалов. Список возможных комбинаций приведен в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Потенциальные виды двухкомпонентного топлива для транспортных средств на Марсе

Марсианская атмосфера на 95 % состоит из двуокиси углерода, и поэтому ее комбинации с водородом (Н₂/CO₂) и гидразином (N₂H₄/CO₂), приведенные в табл. 6.2, могут использоваться в воздушно-реактивных двигателях по принципу, во многом схожему с принципом работы двигателей внутреннего сгорания и воздушно-реактивных двигателей на Земле. В этих случаях, когда речь идет о соотношении энергии и массы, имеется в виду масса только одного компонента топлива, так как углекислый газ перевозить на машине не нужно. Становится очевидно, что с точки зрения соотношения энергии и массы двигатель на смеси водорода и диоксида углерода превосходит все другие варианты. Однако огромная проблема хранения водорода делает использование такой системы в ровере практически нереальным. Смесь метана и кислорода обладает высокой энергоемкостью, так что можно остановиться на этом варианте. Мало того, как раз метаново-кислородное топливо на Марсе производить проще всего. Оно также наилучшим образом подходит для ракет-носителей, которые будут летать с поверхности Красной планеты. Как мы уже видели, план «Марс Директ» предполагает использование смеси метана и кислорода в качестве топлива для ВЗА. Так что наши роверы можно будет заправлять на том же марсианском заводе (ЗПТМ), что изготавливает топливо для ракет.

Впрочем, можно видеть, что удельная энергоемкость смеси метанола и кислорода тоже неплоха. Это интересно, потому что метанол и кислород хорошо подходят для топливных элементов (автобусы в Ванкувере в настоящее время работают на таких системах), и в плане простоты получения на Марсе метанол стоит на втором месте после метана. Несмотря на то что метанол существенно уступает метану как ракетное топливо, его некриогенная природа и простота транспортировки (его перевозят как воду – стеклоочистительная жидкость на треть состоит из этого вещества) делают его интересным вариантом для использования в качестве переносимого источника энергии для астронавтов, работающих на поверхности Марса. Итак, если мы готовы столкнуться с большими сложностями, используя две различные системы производства топлива – одного для ракет, другого для техники, катающейся по поверхности Марса, – можно рассмотреть вариант со смесью метанола и кислорода.

Ровер будет работать на этом топливе, разбавленном углекислым газом, или использовать топливный элемент на метаноле и кислороде. Отходами в обоих случаях окажутся углекислый газ и вода. Первый никакой ценности не представляет – его всегда можно получить из марсианской атмосферы, – а потому он будет выводиться как выхлоп. А вот с водой все обстоит иначе. Хорошая идея – оснастить марсианские автомобили холодильниками (конденсаторами), которые позволят отфильтровывать воду из продуктов работы двигателя. (Это не сложная технология. ВВС США в 1920-х годах проделывали то же самое с дирижаблями. Отработавшая свое вода там использовалась в качестве балласта.) По возвращении ровера на базу конденсированную воду будут изымать, чтобы потом объединить с двуокисью углерода и использовать для синтеза метаново-кислородного топлива. Если 90 % воды удастся использовать повторно, можно будет более 10 раз заправить машину топливом, полученным из одного и того же вещества.

А что насчет системы жизнеобеспечения ровера? На поверхности Марса на тех же ЗПТМ можно легко производить неограниченное количество кислорода, используя диоксид углерода, из которого атмосфера Марса состоит на 95 %. Однако азот и аргон в сумме составляют всего около 4,3 % марсианской атмосферы, и, следовательно, найти буферный газ для дыхания будет гораздо сложнее. (Вы можете использовать диоксид углерода в качестве буферного газа для двигателей, но не для человека. В концентрациях выше 1 % он становится токсичным.) Поэтому крайне важно, чтобы жилые модули и герметичные роверы работали при минимально возможных парциальных давлениях буферного газа. Для жилого модуля на поверхности Марса я рекомендую давление в 5 фунтов на квадратный дюйм (3,5 фунта кислорода, 1,5 фунта азота), такое давление использовали астронавты НАСА в долгосрочных экспедициях на станциях «Скайлэб» в 1970-е годы.

Экипажи программы «Аполлон», однако, проводили двухнедельные миссии в атмосфере без буферного газа, содержавшей 5 фунтов на квадратный дюйм кислорода. Поскольку самые длительные поездки на роверах тоже будут длиться около двух недель, я рекомендую для герметичных роверов именно такой вариант. У него есть серьезные преимущества. Для ровера с низким давлением не нужен шлюз, поэтому машина окажется значительно легче, чем при конструировании другого варианта. Когда члены экипажа захотят покинуть ровер и заняться внекорабельной деятельностью (ВКД), они просто наденут скафандры, сидя в его кабине, затем стравят оттуда кислородную атмосферу, откроют люк и выйдут наружу. Поскольку в дыхательной смеси не будет азота, разгерметизация займет очень мало времени: без азота в крови люди не заработают кессонную болезнь. Если принять объем внутренней части ровера за 10 кубических метров, тогда каждый раз во время разгерметизации будет теряться 3,3 килограмма кислорода. Если бы часть его мы могли закачать в цилиндр под давлением, потери удалось бы и вовсе свести к минимуму, но в любом случае они легко восполняются благодаря местному производству кислорода на базе.

Ровер с атмосферой низкого давления позволит использовать скафандры для ВКД под низким давлением (3,8 фунта на квадратный дюйм кислорода, без буферного газа, как в миссиях «Аполлон») без предварительного уменьшения количества азота в крови. Этот вариант скафандра будет самым легким и гибким из всех возможных и, таким образом, позволит повысить качество полевых исследований на поверхности Марса. (Скафандры, использовавшиеся на шаттлах, представляли собой своего рода миниатюрные космические корабли, такие конструкции слишком тяжелы для использования на Марсе.) Поскольку кислород будет возобновляемым ресурсом, мне представляется наиболее удобной прямоточная система, где выдыхаемый воздух выбрасывается непосредственно в окружающую среду (как в акваланге), – она сильно упростит дизайн скафандра. Это не только будет полезно для уменьшения его массы, но и существенно повысит его надежность, возможность многократной эксплуатации и удобство. Все это позволит использовать на поверхности Марса не десятки, а тысячи скафандров.

Предположим, что человек вдыхает 5 галлонов (или 19 литров) воздуха в минуту. В этом случае каждый астронавт, использующий такой «акваланг» низкого давления, будет расходовать 1,3 килограмма кислорода в ходе четырех часов ВКД. Метанольно-кислородный топливный элемент мог бы отводить часть отработанного кислорода и использовать его в сочетании с небольшим количеством метанола, для того чтобы снабжать астронавта в скафандре энергией. Таким образом, если два человека будут по одному разу в день покидать ровер, дважды меняя атмосферу в кабине, на это уйдет 12 килограммов кислорода. Если использовать машину в таком темпе ежедневно на протяжении 600-дневного пребывания на поверхности Марса, на этой уйдет 7 тонн кислорода. Такие расходы окажутся обременительными, если кислород будет привезен с Земли. Если же производить его на Марсе, потребуется всего 24 дня работы ЗПТМ с реактором мощностью 60 кВт.