Когда на Международной космической станции (МКС) испытывают дефицит в предметах первой необходимости – продуктах питания, воде и т.д. – их запасы доставляются с Земли за считанные часы. Однако если астронавты отправятся на Луну на длительное время в течение ближайших нескольких лет, миссии по снабжению потребуют гораздо больше времени. То же самое можно сказать и о Марсе, полёт до которого займёт месяцы и будет стоить значительно дороже.
В таком случае, неудивительно, почему НАСА и другие космические агентства намерены разрабатывать методы и технологии, которые позволят достичь космонавтам некоторой степени автономности. Согласно результатам исследования, проведённого при поддержке НАСА Дэниелом Томпкинсом, основателем проекта “Grow Mars” и Энтони Мускателло (бывший Космический центр имени Джона Кеннеди НАСА), методы ISRU получат огромную пользу от некоторого вклада природы.
Томпкинс и доктор Мускателло начали сотрудничать в 2018 году сразу после того, как последний уволился из Космического центра имени Кеннеди, в котором накануне на протяжении двух десятилетий работал над разработкой технологий и методов, которые позволят использовать ресурсы на месте в ходе исследования космоса (ISRU). Позже, в этом же году, Мускателло выступил с докладом на ежегодной конвенции Марсианского общества на тему терраформирования Марса с использованием кислорода и самовоспроизводящихся роботов.
Вскоре после этого Томпкинс связался с доктором Мускателло, и вдвоём они занялись осуществлением проекта, направленного на усовершенствование традиционных методов ISRU. Заручившись поддержкой исследователей из Космического центра имени Кеннеди (при НАСА), Лаборатории реактивного движения НАСА, ассоциации “Лунной деревни” и корпорации “Бионетикс”, Томпкинс и Мускателло провели совместное исследование, дав описание их подхода.
Результаты данного исследования были представлены на десятом совместном симпозиуме по наукам, занимающимся изучением суши Земли и других планет (11-14 июня 2019), который совпал с двадцатой годовщиной круглого стола, посвящённого теме космических ресурсов. На нём пара учёных описала, каким образом можно значительно повысить эффективность традиционных методов ISRU, используемых для создания лунной базы, посредством внедрения живых растущих и самовоспроизводящихся организмов (концепция зелёной Луны).
Вот что рассказал доктор Мускателло сайту “Universe Today” по электронной почте:
“Концепция проекта ‘GrowMars’ основана на биологических процессах по получению кислорода из CO2 путём химической обработки водорослей для превращения их в сырьё для производства полимеров и создания пластиковых блоков. Традиционные методы ISRU опираются исключительно на физические и химические процессы”.
Позже пара учёных подробно описала концепцию в рецензированном исследовании, посвящённом вопросу о том, как эти же биологические и сельскохозяйственные методы могут быть использованы для создания масштабных теплиц на Марсе (GrowMars). В ходе этого процесса водоросли выращивают в теплицах с использованием собранной на месте воды, атмосферного CO2 (на Марсе), выбросов CO2, связанных с дыханием людей, и разложением отходов, либо CO2 и угарного газа (CO), выделяемого из “холодных ловушек” на Луне, и солнечного света.
Затем данная биомасса, богатая карбогидратами, подаётся в реактор-преобразователь для производства полиэтиленфурандикарбоксилата (ПЭФ), биопластика, получаемого на основе углеводов (C8H6O). Биопластик может использоваться в качестве вяжущего вещества, которое в свою очередь вступает в соединение с лунным или марсианским реголитом, в результате чего получается композитный полимерный бетон, который и применяется в качестве исходного сырья, для построения большего количества теплиц с использованием роботизированных 3D принтеров.
Композитный материал выводится на принтер для производства прозрачных блоков прямоугольной (продольной) и трапециевидной (поперечной) формы в соответствии с дизайном теплицы. Такие формы оптимизируют процесс абсорбции солнечной энергии, обеспечивая постоянный угол наклона теплиц в сторону Солнца, и дают возможность тесселировать блоки (то есть, устанавливать таким образом, чтобы между ними не оставалось пространства) для формирования более крупных структур.
Вот как Томпкинс объяснил этот процесс для сайта “Universe Today” по электронной почте:
«Преобразование биомассы в пластик хорошо изучено и практикуется в целях создания экологически безопасных и нефтенезависимых пластиков. По сути, углеводная часть биомассы перерабатывается в прозрачный пластик небольшими порциями с высокой скоростью и на малой мощности. Самое главное, что нужно учитывать, – это то, что не все биопластики подвержены биологическому разложению».
Если вкратце, то такой биопластик может быть получен с использованием сахаров (но не нефтепродуктов). Он достаточно долговечен, если использовать его за пределами планеты. Учитывая это и форму, в которой они напечатаны, блоки могут быть объединены для создания различных типов структур. Сюда входят дома и парки для поселенцев, а также дополнительные теплицы.
По прошествии некоторого времени в этих новых теплицах можно выращивать ещё больше водорослей для возведения большего количества блоков, тем самым давая возможность “взрастить” колонию через некоторое время. При размещении над естественными углублениями вроде кратеров или удлинённых долин (также известных как борозды, которые часто встречаются на Марсе), они могут выступать в качестве как теплиц, так и противорадиационных экранов. Фактически, способность обеспечивать защиту от вредного излучения является одной из самых полезных функций этой системы.
Традиционно, противорадиационная защита состоит из металлических панелей (например, свинцовых), поскольку они имеют хорошее соотношение веса и защиты. Барьеры из других материалов также могут блокировать космическое излучение и солнечную радиацию, но, как правило, они должны быть очень плотными. К сожалению, металлические панели не защищают космические судна от “орошения” их вторичными частицами в результате столкновений друг с другом.
Для сравнения отметим, что вода и пластик доказали свою эффективность в блокировании излучения без образования при этом вторичных частиц – то же самое относится и к биопластику. Единственное препятствие состоит лишь в том, что толщина естественных барьеров должна составлять до 3 метров (~10 футов) для того, чтобы обеспечить надёжную защиту от солнечных и космических лучей. Но имея тессилированную структуру, которая также создаёт что-то вроде куполообразного укрытия, теплицы обеспечат всю необходимую естественную противорадиационную защиту.
Кроме того, реактор-преобразователь также создаёт полезные побочные продукты, такие как белки, липиды (жировые клетки) и минералы, которые можно использовать в производстве химических удобрений (азот, фосфор, калий, кальций, магний, железо и т. д.). Помимо этого, как утверждает Томпкинс, их можно использовать для производства других важных ресурсов, таких как продукты питания, кислород, биотопливо, ракетное топливо – и на этом список не заканчивается.
Доктор Мускателло подытожил в своём письме данный процесс:
“GrowMars производит большее количество полимерных блоков, в которых выращиваются водоросли, тем самым существенно увеличивая объём вырабатываемого кислорода со временем, вплоть до предела производственного потенциала технологических установок, преобразующих водоросли в полимеры, размер которых при желании можно увеличить с учётом такого развития событий. Водоросли самовоспроизводятся при условии обеспечения их достаточным количеством углекислого газа, воды и небольшим количеством удобрения”.
Традиционные технологии ISRU всегда ограничены возможностями систем в заводском исполнении, т.е. для увеличения производства требуется большее количество установок. Таким образом, система на основе водорослей имеет преимущества по массе и мощности в сравнении с традиционными технологиями ISRU. Системы на основе водорослей также могут быть сконфигурированы для обеспечения защиты от излучения с помощью воды и полимерных блоков.
Если речь идёт об “Артемиде” и долгосрочном прогнозе НАСА в отношении создания программы по “устойчивому освоению Луны”, один из главных вопросов заключается в том, как можно использовать местные ресурсы для достижения автономности в работе системы. То же самое верно и в отношении к архитектуре миссий к Марсу и на край Солнечной системы. В любом случае, в планы входит сбор водяного льда, реголита и прочих местных ресурсов, чтобы потребность в миссиях по пополнению запасов сводилась к минимуму.
Традиционные методы ISRU сосредоточены, главным образом, на использовании имеющихся местных ресурсов, таких как вода и реголит. Новый же подход сосредоточен на том, как использовать местную воду и минералы, а также энергию Солнца, окись и двуокись углерода, выделяемые из отходов жизнедеятельности человека, для того, чтобы приумножить потенциал местных ресурсов.
По словам Топкинса, данный метод обеспечит производство большего объёма пищи и строительных материалов лучшего качества:
“Мы приумножаем усилия в освоении космического пространства, применяя уникальную технологию, позволяющую достигнуть отрицательного уровня эмиссии углерода (производить чистый кислород), увеличить площадь поверхности водорослей, тем самым повысив продуктивность фотосинтеза, обеспечить противорадиационную защиту, использовать различный строительный материал, и всё это в рамках расширяющейся системы с замкнутым контуром, которая является интегрированной с биологической и функциональной точки зрения. Всё это было задумано с надеждой добиться автономного функционирования системы и переплюнуть энтропию на уровне базовых потребностей”.
Системы на основе биологического сырья позволяют сократить массу и мощность, необходимые для производства кислорода, в то же время способствуя увеличению темпов производства полимеров, таким образом снижая затраты на стартовую массу, запускаемый объём и требования к мощности.
“Такие преимущества могут сделать исследование и заселение Марса менее дорогостоящими и более быстрыми”, – добавил доктор Мускателло.
Многие идеи, предложенные Томпкинсом и Мускателло, были также затронуты и доктором Робертом Зубриным в недавнем исследовании, опубликованном в книге “Мечты о Центавре” (Centauri Dreams), под названием “Подлёдные поселения на Марсе”. Кроме того, что доктор Зубрин является аэрокосмическим инженером и основателем Марсианского общества, он также выступает сторонником освоения, колонизации и терраформирования Марса.
В этой статье Зубрин предлагает вариацию паратерраформирования, в которой участки планеты герметично огорожены и с экологической точки зрения спроектированы для возможности проживания. В частности, он изучал, каким образом поселения могут быть сконструированы в пределах марсианских кратеров, заполненных льдом, в которых можно расплавить нижние слои льда для того, чтобы образовалось подлёдное озеро. Со временем наличие тёплой воды и органических молекул может дать почву для формирования биосферы.
Жильё, построенное в пределах озера, выиграло бы от того факта, что внешнее давление аналогично земной атмосфере (100 кПа или 1 бар). Это во многих отношениях предпочтительнее, чем местообитания, построенные на поверхности, где атмосферное давление (в среднем) составляет около 0,5% от того, что мы испытываем здесь, на Земле. Вдобавок к этому толстый лёд и глубокая вода обеспечат всю необходимую противорадиационную защиту для выживания поселения.
В целом же, идея Томпкинса и Мускателло о “разведении” поселений на Луне и Марсе представляет собой практичную и масштабируемую концепцию для выращивания колоний за пределами Земли. Но, возможно, один из самых захватывающих выводов этого исследования – это то влияние, которое оно может оказать на Землю. Томпкинс напомнил нам о том, что инновационные разработки в рамках программы “Аполлон” привели к появлению бесчисленных технологий.
Такие технологии были разработаны, возможно, благодаря программе передачи технологий НАСА и с 1976 года причисляются к дополнительным технологиям НАСА. А программа “Аполлон” привела к появлению коммерческих, медицинских и промышленных технологий, начиная от микроволновых печей, кардиомониторов и МРТ и заканчивая GPS и лидаром. На этот раз НАСА ставит целью разработать новые технологии, которые будут отличаться автономностью, надёжностью и рентабельностью.
По нынешним прогнозам ООН, ожидается, что к 2050 году численность населения Земли достигнет максимального уровня в 10 миллиардов человек. При этом изменения климата будут продолжать разрушать те самые системы, от которых зависит существование и выживание людей. Единственный способ избежать худшего сценария (массовый голод, экономический крах, массовые миграции и т.д.) – это использовать технологии, которые позволят нам добиваться большего при меньших затратах.
Нетрудно заметить, как технологии, которые могут использовать биомассу для создания пластмасс, не содержащих нефть (а также удобрений и продуктов питания), открывают благоприятные перспективы для будущих поколений. Существуют также параллели между этой технологией и работой профессора Стэнфорда Стивена Чу, бывшего министра энергетики в администрации Барака Обамы и человека, который предложил “глюкозную экономику”, альтернативу нынешней экономике, основанной на нефти.
В ближайшем будущем Томпкинс и Мускателло надеются получить дополнительное финансирование и организовать демонстрацию полного цикла технологий. Если всё пойдёт хорошо, такой метод земледелия и преобразования биомассы в биопластики могут стать обычным явлением для лунных и марсианских колоний и даже регулярной практикой на Земле.
Как всегда, наши усилия по отправке людей в космос приносят ощутимую пользу. И если технология, разработанная для решения проблемы выживания, также удовлетворит и некоторые самые главные потребности, испытываемые нами на Земле, то польза от них станет колоссальной.
