Реалистичная программа колонизации Марса без планов терраформирования.

[AlexAV]

Только хемосинтез, а это значит, что могла существовать только в горячих источниках.

Вообще условия для хемосинтеза на Марсе нойской эры должны были быть достаточно распространены. Один из самых распространённых минералов на Марсе - это оливин, а он даже при обычных условиях (хотя и очень медленно) при контакте с водой выделяет водород за счёт реакции:

3Fe2SiO4 + 2H2O → 3SiO2 + 2Fe3O4 + 2H2

Продукт этого процесса (магнетит) на дне бывших марсианских озёр действительно найден и достаточно распространён. Т.е. практически любое марсианское озеро, в силу специфики марсианской геохимии, должно было непрерывно выделять водород. А в среде одновременно содержащей водород и углекислый газ возможен автотрофный рост микроорганизмов за счёт энергии реакции образования метана CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O. На Земле к полностью автотрофному росту в присутствие водорода и углекислого газа способен ряд микроорганизмов из группы архей. При этом метаногенез, т.е. использование реакции CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O для получения энергии, является, возможно, одним из наиболее древних путей метаболизма.

Т.е. даже в отсутствие фотосинтеза на Марсе, по-видимому, существовали условия позволяющие жизни распространиться повсеместно, в том случае, если она там, конечно, вообще была.

Если же местная жизнь даже до метаногенеза не дошла... То это какая-то странная жизнь, чего не хватишься, а ничего и нет...

[AlexAV]

Может ли оливин стать источником энергии для хемосинтетического сельского хозяйства, основой для культивирования биомассы микроорганизмов, из которой можно будет фабриковать суррогаты растительной пищи, мяса и мясопродуктов, аналог молока?

У меня тоже такая же мысль возникла. Только лучше не просто оливин, а оливин + сульфаты.

Т.е. получаем водород по реакции:

3Fe₂SiO₄ + 2H₂O → 3SiO₂ + 2Fe₃O₄ + 2H₂ (с разумной для технического применения скоростью она идёт где-то при 700 градусах, то что протекает при комнатной температуре интересно для вопросов геохимии, но не практического применения)

А далее выращиваем автотрофных  сульфатредукторов, которые могут расти за счёт энергии реакции:

2H⁺ + SO₄^-2 + 4H₂ = H₂S + 4H₂O

Этот процесс даёт больше энергии на единицу водорода, чем метаногенез. Микроорганизмы способные к автотрофному росту в присутствие сульфатов и водорода известны. Ну и в этом случае тяжёлые металлы в марсианской почве не будут составлять такую большую проблему, сероводород их связывает в нерастворимые сульфиды с очень низкой биодоступностью.

Тут правда хорошо бы аккуратно баланс энергии и материалов посчитать, прежде чем делать выводы.

[AlexAV]

Вы явно многое упускаете из возможностей последних осмотических технологий.Современные RO-мембраны(особенно высокоселективные,как напр. морские)убирают из воды всё.За один проход,с втрое-вчетверо меньшими энергозатратами чем другие способы-на выходе пермеат в виде чистейшего дистиллята.

От низкомолекулярной органики помогает лишь в очень ограниченно (многие низкомолекулярные органические вещества через неё проходят не сильно хуже воды), а значительные концентрации высокомолекулярной очень быстро выведут мембрану из строя. Так что тоже решение отнюдь не универсальное.

Причём как раз летучая органика, а также такие летучие вещества как аммиак и сероводород - те примеси от которых и дистилляция помогает ограниченно. Их удаление из воды, вообще говоря, дело не вполне тривиальное.

[AlexAV]

А у нас, кроме прочего, после реакции Сабатье чистейшая вода с небольшим количеством растворённых газов.

Там по побочным веткам реакции (пусть и в небольшом количестве) неизбежно будут образовываться так же метанол, формальдегид и высшие углеводороды (и всё это богатство будет накапливаться в той самой воде). Очень немного, но вот стоит ли это пить без дополнительной очистки как-то сильно не уверен.  

[AlexAV]

Мембрана убирает и первое и второе.

Низкомолекулярную органику - нет, не убирает, по крайней мере не всю. Нормальных мембран с высокими коэффициентами разделения по паре скажем вода-метанол или вода-ацетон (да и ещё множество других) Вы не найдёте.

Есть керамическая RO-мембрана,ее срок службы в 10 раз дольше обычной.

Высокомолекулярная органика в высоких концентрациях убьёт любую и очень быстро. Просто садится на поверхность, образует плёнки, а то и химически полимеризуется, и мембрана вообще перестаёт что-либо пропускать.

[AlexAV]

Поскольку нам вообще-то нужна питьевая вода, то от органики и сероводорода помогает аэрация и угольный фильтр на выходе. Если нужна совсем уж чистая вода, то стоит добавить ионообменные колонки.

Вообще проблема тут делится на три для каждой из которых требуются разные подходы.

1) Очистка воды добываемой из пород на Марсе. Ну что там может быть... неорганические соли (главным образом сульфаты магния, натрия и железа, хлориды магния и кальция, перхлораты, чуть чуть солей тяжёлых металлов и, возможно, хроматов), может быть растворённый углекислый газ и метан (что в общем малоинтересно, т.к. они малотоксичны). В общем и всё, маловероятно, что там окажется что-то ещё. Это всё хорошо  и почти полностью может быть удалено дистилляцией, тут более-менее понятно.

2) Очистка канализационного стока. В общем продукт малотоксичный, но очень богатый органикой. Дистилляция тут умеренно эффективна (очень много веществ будет перегоняться вместе с водой), а любая мембрана, если на неё подать то, что течёт по канализации, мгновенно сдохнет. Однако тут может быть высокоэффективна биофильтрация (в несколько стадий, скажем аэробное окисление на первой и фитофильтры на второй, какая-нибудь ряска соединения азота из водных растворов может выбирать вплоть до совершенно микроскопических концентраций). Нужно отметить, что в этом цикле в системе могут накапливаться неорганические соли (прежде всего натрия, тут есть системный дисбаланс между потребностью в натрии животных (в том числе человека) и растений), поэтому скорее всего после биофильтрации потребуется удаление избыточных солей, что можно добиться  с помощью доочистки части циркулирующей воды с помощью осмотических мембран или дистилляцией. Плюс, возможно, еще для окончательной очистки от примесей органики на последнем этапе - фильтрация через угольный фильтр (или, может быть, озонирование).

Если осаждённый ил, образующийся на стадии аэробного окисления, по крайней мере частично удалять (т.е. выбрасывать в ближайший кратер ), то проблемы накопления чего-то вредного в цикле быть не должно.

3) Сбросные воды органического синтеза. Там будет содержаться целый коктейль органики, в том числе высокотоксичной, их проще с минимальной очисткой использовать только для технологических нужд, где возможное загрязнение не критично не допуская их попадания в контур питьевой воды. Заниматься их глубокой очисткой дело неблагодарное.

[AlexAV]

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ie302986y

Это вообще не о том. Там они пар разделяют, а не жидкость. Более того, эта мембрана содержит в составе альгинат натрия и силу этого при контакте с жидкостью вообще будет быстро разрушаться (в силу его растворимости в воде).

Мембраны бывают разные,есть нано-фильтрации,ультра-фильтрации.Есть селективно настраиваемые(добыча того же золота из морской воды).

Ультра- и нано- фильтацией вода от низкомолкулярной органики вообще не отделяется, у последней молекулы слишком мелкие для этого, там отделение возможно только за счёт разного химического сродства (и/или коэффициентов диффузии) воды  и органического вещества в материале мембраны.

По большому счету можно создать универсальное  моллекулярное сито,к тому же вакуум на Марсе бесплатный,-вода будет кипеть за даром.

Мембраны бывают разные, но такой чтобы имела абсолютную селективность по всем возможным парам низкомолекулярным органическим веществам воды одновременно - едва ли возможны. Уж очень эта низкомолекулярная органика бывает разной, подобрать вещество которое имело бы ко всем низкое сродство одновременно крайне проблематично.

[AlexAV]

Они позволяют в одну ступень чистить сточные воды со свинячьих ферм до состояния чистой воды

Там же идёт только механическая фильтрация. Т.е. взвесь, эмульсии он отделит действительно практически полностью, а растворимую компоненту - нет. От того, что оттуда вытечет до чистой воды ещё очень далеко.

[AlexAV]

Сито моллекулярное.

По низкомолекулярной органике почти бесполезно. Малая органическая молекула вроде бензола или фенола, не говоря уж метаноле или формальдегиде, через эту пору в 0,7 нм пройдёт не хуже воды.

[AlexAV]

Ну так для ступени предочистки для последующего осмоса-сойдет.

Пептиды всякие растворимые, жирные кислоты, в том числе непредельные, в виде анионов и т.д. в этом растворе тоже будут содержаться, причём довольно много. А для мембран все это ну крайне нежелательные компоненты. Осесть они на мембране осядут, вот только потом их удалить оттуда будет практически невозможно. Керамика тут не поможет (забьются поры смолистыми отложениями и дальше что?).

[AlexAV]

Для водоочистки MatterShift предлагает свой Ангстрем-фильтр

Там очистка к ультрафильтрации вообще никакого отношения не имеет, это работает на разнице в химическом сродстве. А это вещь такая, очень индивидуальная. Можно подобрать материал под какой-то класс молекул, но не под все сразу. Фенол не пройдёт, а какой-нибудь формальдегид пройдёт.

Поэтому они и упирают на "вечность" таких мембран.

Ну так это от условий эксплуатации зависит. Если фильтровать водопроводную воду, где чего-то, кроме неорганических солей, очень мало, будет жить очень долго. Если подавать раствор, содержащий какую-нибудь линоленовую кислоту (ну и её соли и эфиры) - всё что угодно сдохнет быстро и навсегда (она будет не только осаждаться, но и полимеризуется, образуя слой полимера с высокой адгезией к поверхности на котором осаждается). Осмотические мембраны хороши для очисти воды от неорганических солей, но для чего-то богатого органикой явно не то, что нужно.

[AlexAV]

Неорганическое происхождение метана и наличие  в прошлом марсианских морей позволяет предположить наличие крупных метангидратных месторождений .а длительно протекающая реакция оливина с водой с выделением водорода в присутствии углерода,при наличии активных глин в качестве катализатора вообще наводит на мысль о возможном наличии нефти на Марсе.("В фантастике "Ярданг восточный".)

Ну абиогенный метан, образующийся при серпентизации железосодержащих минералов, точно есть и наблюдается на Земле (и скорее всего был, а может и есть сейчас, на Марсе), а вот что-то тяжелее метана образующегося достоверно абиогенным путём вроде бы никто не видел.

[AlexAV]

Натрий/хлор из обработанных стоков в БСЖО убирают той же биофильтрацией солеросом европейским, он же саликорния.

Тоже хороший вариант.

[AlexAV]

Достаточно упустить (или принять как незначителные или маловероятные) следы цианидов или ртути, чтобы угробить всю экспедицию со всеми её современными технологиями подготовки воды.

Ну ртуть - это маловероятно, нет никаких данных, что поверхность Марса ей аномальна богата (а это ведь очень редкий металл), равно как и нет оснований предполагать это. Цианид... в гиперокислительных условиях - тоже как-то слабо верится.

Из очень нехороших звоночков, которые там обнаружены - это хлорбензол (и другая хлорорганика) в продуктах пиролиза марсианского грунта (https://science.sciencemag.org/content/360/6393/1096). Неизвестно что из себя представляет органическое вещество из которого всё это получилось в исходном виде (в частности на сколько оно может быть водорастворимым), однако наличие хлорорганических соединений в продуктах его распада указывает, что хлорорганика будет и в исходном веществе (источник её образование довольно очевиден - сочетание гиперокислительных условий с наличием хлоридов в грунте создаёт условиях для хлорирования органического вещества, там где такое имеется). А хлорорганика - это не очень хорошо, вся она для здоровья  сильно не полезна.  Ну и кроме того... там где может образовываться хлорбензол обязательно будет образовываться и вещество с этой замечательной формулой:


А диоксины представляют собой одини из самых вредных ксенобиотиков, которые вообще существуют в природе (ПДК по ним измеряется пикограммами на кг).

На текущий момент неизвестно на сколько много органического вещества в марсианском грунте, как глубоко оно проникает и как его состав меняется с глубиной (гиперокислительные условия всё же больше характерны только для самой поверхности планеты). Тем более не очевидно, что все эти продукты трансформации органики на поверхности могут попасть в воду геологических депозитов. Поэтому панику по этому поводу устраивать тоже не надо (тут нужны дополнительные данные), но палец относительно потенциальной проблемы загнуть стоит...

[AlexAV]

Если вода из них выпаривается, то вряд ли там будут соли. А вот летучие соединения - особенно органика, а также серы и хлора, скорее всего будут. 

Ну на первой стадии скорее всего будет просто плавление льда и отделение образующейся жидкости от осадка. При этом будет получаться рассол с довольно большим содержанием солей. А уже на второй (она же первая ступень очистки) - будет осуществляться дистилляция. Причём лучше осуществлять низкотемпературную дистилляцию под пониженным давлением, скажем градусах при +25 (низкое атмосферное давление на Марсе очень упрощает аппаратное оформление этого процесса, собственно даже при +25 давление  насыщенных паров воды составляет 3.17 кПа и значительно превосходит нормальное атмосферное давление на Марсе). Низкотемпературная перегонка, по сравнению с высокотемпературной, с меньшей вероятностью будет давать какие-то побочные химические процессы в результате которых может выделяться непонятно что. Плюс для неё довольно эффективно можно использовать сбросное тепло ядерного реактора не снижая эффективность выработки электроэнергии.

а также серы и хлора

Хлор и сероводород не могут образовываться одновременно. Для образования хлора нужны гиперокислительные условия, а сероводород и сульфиды сильные восстановители. Для поверхности Марса более характерны окислительные условия (на что указывает высокое содержание перхлоратов и пероксидов в грунте), соответственно по хлору ещё какие-то проблемы можно ожидать, а по сере - маловероятно. Проблему же с хлором можно полностью устранить, если к воде перед перегонкой добавлять небольшое количество железного купороса. Он восстановит пероксиды и гипохлориты, которые теоретически могут попасть в воду, что сделает образование свободного хлора невозможным. Перхлораты при низких температурах в нейтральной среде с хлоридами не реагируют и свободного хлора давать не будут.

С органикой же вопрос сложный. Марс не похож на то место, где она встречается в изобилии и больших количествах, хотя при пиролизе грунта выделяющиеся из него органические вещества указывают, что что-то там есть. Плюс не любая органика вообще в воде растворима. Какой-нибудь кероген сланцев, даже если его много, на качестве воды не скажется практически никак, просто по той причине, что его компоненты имеют практически нулевую растворимость. Что-то вредное он будет давать только при сильном нагреве (это кстати одна из причин, почему при переработке материала лучше избегать высоких температур).  На данный момент слишком мало данных, чтобы можно было оценить на сколько эта проблема значима. И тут возможен огромный спектр вариантов, от варианта, что водорастворимой органики там так мало, что она вообще ни на что влиять не будет, до того, что из-за неё  никакая деятельность человека на Марсе будет невозможна в принципе (кажем если диоксины обнаружатся в больших количествах, то в этом случае все, сушите вёсла, они проявляют токсичность в столь микроскопических концентрациях, что ни какие меры защиты при их изобилии в окружающей среде не спасут).

[AlexAV]

Марс больше трех ярдов лет купается в космических лучах,фотохимически на поверхности там уже давно все разложилось(и фенол и диоксины).

Хлорорганика же в продуктах пиролиза марсианского грунта откуда то же взялась. Впрочем тут рано делать выводы пока нет точной информации о составе органических примесей в марсианском грунте.

[AlexAV]

Не будут, плотность воздуха не та.

На самом деле тут всё не настолько плохо, как может показаться на первый взгляд.

Подъёмная сила крыла описывается как:

\[ F = C_y \frac{\rho V^2}{2}S \]

\( C_y \) - коэффициент подъёмной силы (для хорошего крыла можно принять как что-то около 1.4).
\( \rho \) - плотность воздуха. В Марсианской атмосфере при давление 600 Па и температуре -63 градуса плотность составляет 0.015 кг/м3.
V - скорость аппарата.
S - площадь крыла.

Очевидно, что минимальное отношение массы аппарата к площади крыла, при котором  его можно будет поднять в воздух состовляет

\[ \frac{M}{S} =  C_y \frac{\rho V^2}{2g} \]

g - ускорение свободного падения на Марсе (3,7 м/с2).

Скорость звука на Марсе при -63 градусах будет около 227 м/с. Рассмотрим глубоко дозвуковой аппарат с взлётной скоростью 0,3М и крейсерской 0,6М. Необходимое отношение взлётной массы аппарата к площади крыльев тогда получается - 13,3 кг/м2.

Теперь оценим на сколько такой аппарат реально сделать технически. Самой большое данное отношение из реально создававшихся аппаратов это у самолётов на солнечных батареях. Возьмём аппарат Solar Impulse (https://ru.wikipedia.org/wiki/Solar_Impulse). Взлётная масса - 2000 кг, масса пустого - 1600 кг, площадь крыла - 200 м2. Нужно учесть, что Solar Impulse тащит около 400 кг солнечных батарей и 100 кг аккумуляторов. Без них планер с авионикой будет 1100 кг. Т.е. планет массой всего 5,5 кг/м2 сейчас сделать можно, а значит с учётом ограничения 13,3 кг/м2 остаётся достаточный запас массы для двигательной установки, топлива, и ПН.

Кстати мощность двигательной установки потребуется не очень большая. Поскольку дозвуковой планер с большим удлинением крыла (а на Марсе его вынужденно придётся делать большим), может иметь очень высокое аэродинамическое совершенство (до K = 50 - легко), а сила тяготения на Марсе невелика, то мощность, которую нужно будет сообщать планеру для преодаления сопротивления воздуха будет небольшой:

\[ N = mgV/K \]

Для аппарата массой 2000 кг и крейсерской скорости 0,6М с аэродинамическим совершенством K = 50 получается 20,2 кВт. С учётом КПД винтов (около 0,85) требуемая мощность двигательной установки всего около 24 кВт, что представляет собой довольно скромную по массе установку.

В общем, видимо, летать там можно (причём даже на дозвуке), но марсианский самолёт будет выглядеть своеобразно, похожим на это:

[AlexAV]

2-тонный,беспилотный планер(или одноместный-пилотируемый)зделать еще можно.Но больше уже нет,Solar Impulse создан на пределе материалов.,чтобы взлететь ему требовалась полоса шириной 40 метров,а на Марсе она еще и длиной в полтора километра должна быть(и это для такого легкого аппарата).

Ну если ориентироваться на параметры Solar Impulse, то получается следующее.

Пусть у нас 2000 кг взлётной массы, из них 830 кг планер с авионикой (планер чуть поменьше, чем у Solar Impulse, исходя из удельной взлётной массы 13,3 кг/м2 и удельной массы планера Solar Impulse). Движок скажем на 30 кВт (чтобы был запас мощности для взлёта) - килограмм 50 с запасом (естественно никаких аккумуляторов с электродвигателями, только ДВС на паре жидкое топливо-жидкий окислитель, весить он будет не больше бензинового авиадвигателя на аналогичную мощность).

Итого остаётся 1120 кг на топливо с окислителем + ПН. Пусть 560 кг топлива и 560 кг ПН. Не так уж мало на самом деле. Нужно только прикинуть как далеко на этом запасе топлива такой самолёт сможет улететь.

У вертолетика Драгонфлай(что летит на Марс вместе с марсоходом 2020)КПД винтов близко к 90%,т.е. вообще по-сути естественный предел.Но...Полноценно летать он не может.

У вертолёта и самолёта с высоким аэродинамическим совершенством - принципиально разные требования к мощности.

Чтобы оторвать ваш планер от поверхности,даже имея КПД винтов близкое к 90%,потребуется совсем другой уровень мощности двигателя-а это доп.вес.

При низком трение в шасси и достаточно длинной ВПП - ни в коем случае. Мощность достаточная для крейсерского полёта будет более чем достаточна и для взлёта. Собственно при аэродинамическом совершенстве 50 и взлётной скорости 70 м/с двухтонному аппарату (если трение в шасси достаточно мало) достаточно, чтобы тяга превышала 150 Н, а мощность соответственно 12,4 кВт (если КПД движителя, т.е. винтов, 0,85). Дальнейший рост мощности нужен будет только чтобы сократить требуемую длину ВПП.

[AlexAV]

А почему так мало-то?У меня сомнения чтобы на Марсе такой планер и на 140 м/с оторвался бы.А дальше уже не выдержат шасси.

Эта оценка прямо получается из соотношения для подъёмной силы крыла.

\[ F = C_y \frac{\rho V^2}{2}S \]

Для того, чтобы на Марсе (на уровне с давлением 600 Па и типичной для него температурой) поднять аппарат весом 2000 кг с взлётной скоростью 70 м/с ему достаточно иметь площадь крыла ~143 м2. Это заметно меньше, чем у Solar Impulse как раз с этой массой (200 м2). Какие тут могут быть сомнения?

[AlexAV]

Очень простые - Solar Impulse не летает со скоростью 70 м/с, его крейсерская скорость 70 км/час.

Пока мы остаёмся на достаточно глубоком дозвуке (где-то до 0,6 - 0,8 M) при заданной геометрии крыла и угле атаки значения коэффициентов С_y, C_x, а также аэродинамического совершенства остаются практически постоянными. Механические нагрузки в полёте при скорости 70 м/с на Марсе будут даже меньше, чем при полёте со скоростью 70 км/с на Земле (вообще при той же взлётной массе они будут в 2,5 раз меньше из-за меньшей силы тяжести там несмотря на большие значения взлётной скорости и скорости полёта, сила аэродинамического сопротивление, подъёмная сила и другие источники механических нагрузок при заданной геометрии крыла в конечном счёте пропорциональный ей).  Поэтому никаких оснований считать, что не полетит не вижу.

Некоторая проблема только взлёт (не в плане аэродинамики, тут проблем никаких, а в плане чтобы когда эта конструкция катится по ВПП со скоростью 252 км/ч она бы не развалилась). Впрочем это решается специальным устройством запуска. Ну а уже в воздухе не видно ни одной причины, чтобы ей не летать.

Можно не мудрить с длинной полосой, а использовать стационарные устройства для взлёта. Пневматическую катапульту; электрическую тележку , питаемую от рельсов или встроенных в полосу индукционных катушек, электромагнитную катапульту с тележкой или без... 

Вот у меня тоже возникают подозрения, что что-то подобное потребуется. Заставить катиться такую большую и хрупкую конструкцию по ВПП с требуемой для взлёта скоростью выглядит чуть ли не большей проблемой, чем заставить её летать.