Должны ли мы использовать Марс в качестве основного источника межпланетного топлива? [закрыто]

Есть ли во всем этом смысл?

Часть этого делает. Идея оставить танкер в качестве орбитального топливного склада на марсианской орбите верна (если вы можете повторно использовать для этого отработавший разгонный блок), но было бы лучше оставить само топливо на поверхности Марса до тех пор, пока оно вам действительно не понадобится на орбите. , чтобы предотвратить выкипание топлива и риск взрыва из-за термоциклирования (тепловое расширение в течение одной полной орбиты, когда аппарат входит в марсианскую тень и выходит из нее, и вращение самого аппарата для циклического воздействия на площадь поверхности Солнца и других источников излучения ).

Сам по себе метан не имеет большого значения, это довольно большая молекула по сравнению с некоторыми другими видами топлива с относительно хорошими характеристиками, поэтому скорость выкипания, при условии, что ваш орбитальный топливный склад не даст течи, будет/должна быть довольно медленной. У него довольно большой изобарический коэффициент (расширение из-за температуры и давления), поэтому его пришлось бы активно охлаждать. Более серьезной проблемой является окислитель, которым в данном случае будет LOX (криогенный жидкий кислород), который труднее хранить в течение длительного времени на орбите, и для него потребуется активное криогенное охлаждение, чего довольно сложно достичь, поскольку он обладает высокой коррозионной активностью. плохо реагирует на контакт с большинством поверхностей и при повышенном давлении (например, если ваши криокулеры выходят из строя) становится более металлическим, т. е. на любое воздействие электропроводки или даже на зарядку поверхности автомобиля черезсолнечная погода и разрядка через изоляцию и стенки бака могут привести к потере транспортного средства. А если вы от этого зависели, то и потеря миссии или того хуже.

В противном случае, и я не совсем уверен, что именно это вы имели в виду в своем вопросе, Марс не совсем подходит в качестве промежуточной остановки для межпланетных исследований других целей, кроме Марса, двух его малых спутников Фобоса и Деймоса и, возможно, некоторых астероидов в Главный пояс, потому что он редко выровнен надлежащим образом с внешними планетами, если они будут вашим конечным пунктом назначения. Дозаправка на Марсе также будет означать, что вам сначала придется выйти на его орбиту и встретиться с орбитальным топливным складом, вместо того, чтобы использовать его для помощи гравитации во время пролета, так что вы действительно теряете много дельта-V, топлива, и время и с ним воздействие радиации и так далее. Это был бы скорее обходной путь, чем короткий путь, если только вы не имели в виду межпланетноеспециально для поддержки / облегчения транспорта Земля-Марс.

И нет, такая установка не будет зависеть от доставки водорода с Земли. Водород заперт в марсианской воде и может быть довольно легко извлечен из нее с помощью электролиза. Однако неясно, сколько из этого водорода составляет дейтерий (выход из атмосферы немного быстрее для нормального, более легкие изотопы водорода, чем немного более тяжелый дейтерий), поэтому вам, возможно, также придется сначала провести массовое разделение его перед использованием. Кроме того, доставка водорода с Земли со временем полета примерно 9 месяцев (зависит от орбитальных положений Земли и Марса) будет еще более сложной задачей, чем уже описанное длительное хранение кислорода. Типичная скорость кипения LH2 (криогенный жидкий водород), в зависимости от конструкции резервуара, слишком высока, чтобы хранить его так долго в космическом вакууме, и к тому времени, когда вы достигнете Марса, он либо полностью исчезнет, ​​либо исчезнет. в космос, иначе вам придется изолировать и утолщать стенки резервуара настолько, что это станет непрактичным с точки зрения массовой экономии.

Первое, что следует отметить, это то, что устройство для производства топлива будет иметь идеальные размеры для создания количества топлива, необходимого для возвращения астронавтов на Землю. Это не похоже на то, что у него есть избыточная мощность. Так что нам действительно нужно подумать о доставке топлива с Марса, несколько отдельно от плана возвращения астронавтов. Это потребует привлечения большого количества дополнительного оборудования.

Если намерение состоит в том, чтобы принести что-то для использования в качестве топлива на Земле, логично было бы принести с собой обычную воду в жидкой или ледяной форме. Воду можно превратить в H2 и O2 в идеальном соотношении для топлива с помощью электролиза. Однако в форме H2O он очень стабилен и легко транспортируется, в то время как в форме H2/O2 он очень летуч — обе формы имеют одинаковую массу. Вместо того, чтобы доставлять на Марс дополнительное оборудование для электролиза, дополнительную выработку энергии и дополнительные резервуары, было бы разумнее разместить все это дополнительное оборудование на околоземной орбите, вернуть воду с Марса и провести электролиз на околоземной орбите, где топливо будет использовано.

Также можно было бы вернуть CO2 с Марса (вероятно, в виде сухого льда) и провести реакцию Сабатье и электролиз на околоземной орбите, при этом водород будет доставляться только с Земли на околоземную орбиту, а не до Марса. CO2 имеет то преимущество, что его легко извлекать из марсианской атмосферы, в то время как воду приходится добывать из-под земли или извлекать из атмосферы со значительно большими усилиями.

Обратите внимание, что эти варианты приводят к тому, что на околоземной орбите остается такое же количество полезного топлива, при этом на Марс необходимо отправить гораздо меньшую массу . Конечно, по-прежнему необходимо генерировать гораздо больше метана и жидкого азота, чтобы вернуть H2O или CO2 на Землю — весь смысл генерации на месте в том, что углерод и кислород являются тяжелыми элементами (по сравнению с водородом) и нежелательными вещами. для доставки между планетами, поэтому план доставки углерода или кислорода с Марса на Землю несколько противоречит цели генерации на месте, которая заключается в экономии массы. Тем не менее, доставить их с Марса на околоземную орбиту все же может быть дешевле, чем с Земли, по крайней мере, с точки зрения дельта-V.

Но есть потенциально более дешевые места для получения воды (и, возможно, углерода), на самом деле было бы намного дешевле с точки зрения дельта-V доставлять топливо с лун Марса, чем с самого Марса. Это сводится к гравитации, Марс имеет относительно глубокий гравитационный колодец, в то время как луны имеют очень мелкие гравитационные колодцы. Фактически, различные факторы способствуют тому, что Фобос и Деймос становятся даже ближе с точки зрения Delta-V, чем Луна, но только в очень ограниченных окнах, когда Земля и Марс правильно выровнены. На данный момент мы действительно не знаем, какие ресурсы доступны на Фобосе и Деймосе, только предполагается, что есть летучие вещества, которые можно использовать.

Другим хорошим кандидатом для доставки воды является Луна, хотя Фобос и Деймос иногда немного ближе с точки зрения Delta-V, Луна гораздо более доступна во всех других отношениях, что наиболее важно, время в пути составляет всего несколько дней или недель вместо этого. от 8 месяцев. На Луне, вероятно, есть вода в виде льда в постоянно затененных кратерах, которые можно добывать и перерабатывать в топливо на месте или доставлять на околоземную орбиту для обработки.

Учитывая гораздо большую доступность Луны, я считаю, что в настоящее время нет смысла доставлять на Марс дополнительное оборудование с целью доставки топлива на околоземную орбиту. Генерация топлива на месте на Марсе имеет смысл только в том случае, если это топливо будет использоваться на Марсе.