22 страница. Budowa bazy na Marsie • 261

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 261

są na Marsie łatwo dostępne. Uważa się wprawdzie za prawdopodobne, że na planetoidach występują substancje zawierające węgiel; pewne dane uzyskane dzięki misji sondy Clementine wskazują na możliwość obecności na ziemskim Księżycu złóż lodu na stale zacienionych terenach wokół bieguna północnego. Argumenty te są jednak bezwartościowe, gdyż podstawowym problemem nękającym wszystkie pozbawione atmosfery ciała niebieskie oraz ewentualne kolonie w otwartej przestrzeni kosmicznej (proponowane przez Gerarda O'Neilla10) jest brak światła słonecznego w postaci nadającej się do wykorzystania do uprawy roślin.

Kwestia ta ma ogromne znaczenie, a jednak nie jest właściwie rozumiana. Rośliny potrzebują gigantycznych ilości energii, czerpanej ze światła - na przykład l km2 powierzchni uprawnej oświetlony jest energią słoneczną o mocy w przybliżeniu 1000 MW; wielkość ta odpowiada poborowi mocy milionowego miasta amerykańskiego. Innymi słowy, energia zużywana do wytworzenia płodów rolnych tak maleńkiego państwa, jak Salwador, przekracza moc produkowaną przez wszystkie elektrownie na Ziemi. Rośliny przetrwają prawdopodobnie mniej więcej 20% spadek otrzymywanej energii słonecznej w porównaniu z ziemskimi standardami i będą nadal rosnąć, ale nie zmienia to fundamentalnego faktu: wymagania energetyczne związane ze wzrostem roślin wykluczają wszelkie większe uprawy, wykorzystujące sztucznie wytwarzane światło. Wiedząc to, rozumiemy, że problem uniemożliwiający wykorzystanie naturalnego światła słonecznego na Księżycu oraz w otwartej przestrzeni kosmicznej polega na braku osłony ze strony atmosfery. (Na Księżycu dodatkowo komplikuje sytuację dobowy cykl oświetlenia i ciemności, liczący 28 ziemskich dni; jest to zupełnie nie do przyjęcia dla roślin). Uprawy wewnątrz cienkościennych szklarni na powierzchni Księżyca lub planetoidy zostałyby zniszczone przez promieniowanie z rozbłysków słonecznych. Skuteczne zabezpieczenie zapewnia dopiero szklana ściana o grubości 10 cm, co sprawia, że większe

10 G. 0'Neill: TheHigh Frontier. William Morrow, Nowy Jork 1977.

262 • CZAS MARSA

uprawy byłyby zupełnie nieopłacalne. Problemu nie rozwiążą zwierciadła ani inne urządzenia kierujące światło, gdyż powierzchnia zwierciadeł musiałaby być ogromna, porównywalna z powierzchnią upraw, co prowadziłoby do kolosalnych problemów technicznych, gdybyśmy planowali duże uprawy.

Marsjańska atmosfera ma wystarczającą gęstość, by osłonić rośliny na powierzchni Czerwonej Planety przed niekorzystnym wpływem rozbłysków słonecznych. Wiemy już, że na Marsie można bez trudu skonstruować nadmuchiwane, chronione dodatkowo kopułą szklarnie o dużych rozmiarach, wewnątrz których panowałyby warunki, sprzyjające szybkiemu wzrostowi roślin. Powierzchnia Marsa otrzymuje o 57% mniej światła słonecznego od Ziemi, lecz ilość ta jest zupełnie wystarczająca, by zachodził proces fotosyntezy, który można dodatkowo przyspieszyć, wypełniając kopuły dwutlenkiem węgla w wyższym stężeniu niż na Ziemi. Do ochrony konstrukcji mieszkalnej o średnicy 50 m i ciśnieniu wewnętrznym, wynoszącym 5 psi, konieczna jest kopuła z wzmocnionego kevlaru o grubości l mm. Rośliny zaś potrzebują atmosfery o ciśnieniu zaledwie 0,7 psi, czyli 50 mbar, w tym 20 mbar azotu, 20 mbar tlenu, 6 mbar pary wodnej i poniżej l mbar dwutlenku węgla. Kopuła o średnicy 50 m, osłaniająca szklarnie, może być wykonana z włókna grubości tylko 0,2 mm; około 2000 m2 (pół akra) ziemi uprawnej zmieściłoby się pod kopułą, która ważyłaby w przybliżeniu tonę. Masa drugiej, pleksiglasowej kopuły ochronnej wciąż jednak wynosiłaby 4 tony. (Kopuła z pleksiglasu będzie mieć o połowę mniejszą masę, jeśli górnej jej połowie, zamiast rozważanej dotąd półkuli, nadamy kształt soczewki. Soczewkowaty kształt górnej półkuli ułatwiłby budowę kopuły ochronnej, gdyż zmniejszyłaby się wysokość konstrukcji; ponadto drastycznie skróciłby się czas, potrzebny roślinom do nasycenia tlenem atmosfery wewnątrz kopuły). Roślinom wystarczy atmosfera o ciśnieniu 0,7 psi, za to ludzie w takich niskociśnieniowych szklarniach musieliby nosić skafandry kosmiczne. Przestałyby one być konieczne po podwyższeniu ciśnienia do 2,5 psi. Zasadniczo najkorzystniej będzie wykonać kopuły szklarni, zakładając

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 263

ciśnienie wynoszące 5 psi (tyle sarno co w pomieszczeniach mieszkalnych), chyba że baza będzie odczuwać dotkliwy brak powierzchni uprawnych. Rozwiązanie takie pozwala połączyć szklarnie i konstrukcje mieszkalne tunelami, którymi ludzie będą mogli swobodnie poruszać się pomiędzy różnymi obiektami w lekkich ubraniach, bez skafandrów i konieczności przeprowadzania operacji sprężania/rozprężania. Dodatkowo za wariantem takim przemawia łatwość masowej produkcji ujednoliconych elementów konstrukcyjnych do obu typów kopuł oraz możliwość wprowadzenia się do szklarni w razie szybkiego przyrostu populacji. Podstawową różnicą dzielącą dwa typy kopuł jest wartość dopuszczalnego ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla. W kopułach mieszkalnych ciśnienie dwutlenku węgla nie może przekraczać ziemskiej średniej, czyli około 0,4 mbar. Za to w szklarniach występować będzie znacznie wyższe ciśnienie dwutlenku węgla, sięgające 7 mbar (wielkość odpowiadająca marsjańskiemu klimatowi), co w wielkim stopniu przyczyni się do zwiększenia zbiorów. (Na Ziemi rośliny cierpią z powodu niedostatku dwutlenku węgla). Znamy już rozmaite potencjalnie użyteczne technologie, pozwalające dostarczyć szklarniom dużych ilości wody. Na Marsie można zatem zapewnić podstawowy warunek uprawy roślin - występowanie dobrze oświetlonych i nawadnianych terenów.

Jak żyzna jest marsjańska gleba? Trudno powiedzieć, lecz wykorzystując dzisiejszą wiedzę możemy stwierdzić, że marsjańska gleba powinna okazać się doskonałym środowiskiem dla uprawy roślin, znacznie lepszym od większości ziemskich terenów uprawnych. Tabela 7. l porównuje ziemską i marsjańska glebę pod względem zawartości pierwiastków posiadających odżywcze właściwości dla roślin. Dane odnoszące się do Marsa bazują na pomiarach Yikingów i badaniach meteorytów SNC.11

11 C. Stoker i in.: The Physical and Chemical Properties and Resource Potentials of Martian Surface Soils. [W:] J. Lewis, M. Mathews i M. Guerreri (red.): Resources of Near-Earth Space, University of Arizona Press, Tuscon 1993.

264 • CZAS MARSA

Z Tabeli 7. l dowiadujemy się, że marsjańska gleba jest bogatsza w większość roślinnych składników odżywczych. Najważniejszą niewiadomą pozostaje zawartość azotu, której znajdujący się na Yikingu. przyrząd, analizujący skład pierwiastków w glebie, nie zdołał zmierzyć z powodu ograniczeń konstrukcyjnych. Wiemy jednak skądinąd, że azot obecny jest w atmosferze Marsa, zatem gdyby gleba okazała się uboga w azotany, możliwa byłaby synteza amoniaku i innych nawozów azotowych. Prowadząca do wytworzenia metanu reakcja Sabatiera będzie dostarczać amoniaku, jeśli jako substratów użyjemy azotu i wodoru. Podstawowa metoda produkcji nawozów na Ziemi wykorzystuje instalacje do przeprowadzania podobnych reakcji. Współczesna wiedza na temat procesu kształtowania się planet każe jednak przypuszczać, że zawartość azotu na nowo powstałym Marsie była zbliżona do wartości ziemskiej. W takim wypadku azot nie mógł uciec i wciąż musi być obecny na Czerwonej Planecie,

Tab. 7.1. Porównanie zawartości roślinnych składników odżywczych w glebie na Ziemi i na Marsie. (Skrót ppm oznacza części na milion: l ppm równa się jednej dziesięciotysięcznej części procenta lub jednej tysięcznej części promila).

PIERWIASTEK

ŚREDNIA ZAWARTOŚĆ W ZIEMSKIEJ GLEBIE

ŚREDNIA ZAWARTOŚĆ W MARSJAŃSKIEJ GLEBIE

azot 0,14% nieznana

fosfor 0,06% 0,30%

potas 0.83% 0,08%

wapń 1,37% 4,10%

magnez 0,50% 3,60%

siarka 0,07% 2,90%

żelazo 3,80% 15,00%

mangan 0,06% 0,40%

cynk 50 ppm 72 ppm

miedź 30 ppm 40 ppm

bór 10 ppm nieznana

molibden 2 ppm 0,4 ppm

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 265

prawdopodobnie w postaci azotanów w glebie. Spodziewam się odkrycia na Marsie pokładów naturalnych azotanów; baza zaopatrzyłaby się w wielkie zapasy nawozów, wydobywając azotany za pomocą materiałów wybuchowych. Kolejny rzadko występujący na Marsie roślinny składnik odżywczy to potas. Niewykluczone, że pierwiastek ten jest obecny w wysokich stężeniach w pokładach soli, które osadziły się na brzegach wyschniętych dzisiaj, dawnych marsjańskich zbiorników wodnych.

Wzrostowi roślin sprzyjają także fizyczne właściwości ziemi na Marsie, gdyż wiele wskazuje na to, że pokrywająca całą powierzchnię planety gleba jest rzadka, porowata i właściwie przygotowana mechanicznie do podtrzymywania uprawy. Mówiliśmy wcześniej, że marsjańskie gleby zawierają dużo glin smektycznych. Jest to dobra wiadomość dla przyszłych marsjańskich rolników, gdyż smektyty skutecznie stabilizują wartość parametru pH gleby na poziomie lekko kwasowym, a dzięki wysokiej zdolności do wymiany stanowią w glebie spory zapas wymiennych jonów odżywczych.

Wspomnieliśmy już, że marsjańskie kopuły będą wypełnione atmosferą o ciśnieniu 5 psi (340 mbar), odpowiadającym jednej trzeciej ziemskiego ciśnienia atmosferycznego na powierzchni morza. Ponieważ grawitacja na Marsie wynosi mniej więcej jedną trzecią ziemskiej wartości, taka gęstość powietrza pozwoli latać owadom. Możliwe stanie się zapylanie roślin przez pszczoły. Na początku kopuły będą zawierać powietrze z marsjańskiej atmosfery (95% to dwutlenek węgla) sprężone do wybranego ciśnienia, wzbogacone paroma mili-barami sztucznie wytworzonego tlenu, który umożliwi roślinom oddychanie. Rośliny wewnątrz szklarnianych kopuł będą rosnąć w środowisku zawierającym bardzo dużo dwutlenku węgla, co zapewni wysoką wydajność fotosyntezy. Na Ziemi, gdzie atmosfera jest uboga w dwutlenek węgla, rośliny przekształcają energię światła słonecznego w energię wiązań chemicznych z wydajnością zaledwie 1%. (Wydajność netto takiego ekosystemu, jak las czy dzika preria, jest znacznie niższa, mniej więcej 0,1%, gdyż obumarłe rośliny ulegają roz-

266 • CZAS MARSA

kładowi. Same rośliny radzą sobie dużo lepiej, z czego korzystamy w naturalnym środowisku rolniczym, zbierając plony, zanim zostaną rozłożone przez bakterie). Wydajność fotosyntezy w środowisku o bardzo dużej zawartości dwutlenku węgla ocenia się na 3%. W sferycznej kopule o średnicy 50 m rośliny, fotosyntetyzujące z taką wydajnością, w ciągu 310 dni przekształciłyby cały zawarty wewnątrz szklarni dwutlenek węgla w tlen. W przypadku kopuły o kształcie soczewki (o promieniu krzywizny 50 m zamiast 25 m) wystarczyłoby zaledwie osiem dni. Wykryty prawdopodobnie w marsjańskiej glebie przez Yikingi utleniacz nie będzie stanowić żadnego problemu, ponieważ przy kontakcie z wodą rozkłada się on na substancję zredukowaną i swobodny tlen. Wilgoć krążąca w ciepłym środowisku szklarni będzie powodowała wydzielanie tlenu przez glebę podłoża.

Wszyscy znamy argumenty wegetarian, przekonujących o konieczności całkowitego zrezygnowania ze spożywania mięsa, gdyż akr kukurydzy dostarcza znacznie więcej pożywienia niż akr przeznaczony na hodowlę bydła. Na Ziemi argumenty takie są wątpliwe, skoro głód nie jest spowodowany globalnym niedostatkiem żywności, lecz brakiem pieniędzy u głodujących. W stosunku do Marsa ta argumentacja ma sens, gdyż ziemię pod uprawy bądź hodowlę trzeba pod kopułami ochronnymi urządzić - nie wystarczy po prostu zająć obszar. Istotnie, wykorzystywanie bydła, owiec, kóz, królików, kurcząt i innych stałocieplnych roślinożerców jako elementu łańcucha pokarmowego świadczy o wielkim marnotrawstwie. Zwierzęta zużywają większość energii roślinnej na utrzymanie stałej temperatury ciała, a spożywający mięso człowiek otrzymuje jedynie niewielką część tej energii. (Kiedyś pewien naukowiec w paru książkach przekonywał, że kozy stanowią klucz do rozwoju przyszłej gospodarki rolnej w przestrzeni kosmicznej, gdyż są nieduże, wszystkożerne, szybko rosną, dają mleko itp. Choć pochodzę z miasta, ostatnio większość czasu spędzam na terenach wiejskich i wiem, co potrafią kozy. Nie wolno dopuszczać kóz do kopuł z kevlaru, bo je zjedzą!) Z drugiej zaś strony, nawet w przypadku wartościowej rośliny, co najmniej

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 267

jej połowa nie jest przez ludzi zjadana, nie jemy na przykład korzeni, łodyg czy liści kukurydzy, ryżu czy pszenicy. Niejadalne części roślin są zakopywane w ziemi, a my pocieszamy się, że służą jako nawóz. Tymczasem jest to marnowanie energii - przecież gdyby rzeczywiście chodziło nam o użyźnianie gleby, powinniśmy zakopać całą roślinę, by uzyskać jeszcze lepszy rezultat. Wymogi oszczędności nakazują poszukać sposobu użytecznego wykorzystania niejadalnych części roślin. A więc jednak kozy? Parę kóz przydałoby się do zabawy dzieciom i aby znaleźć zajęcie dla bazowych patroli (przy słabej marsjańskiej grawitacji kozy z łatwością pokonywałyby trzymetrowe ogrodzenia). Są jednak lepsze rozwiązania. Jedno z nich proponuje wykorzystanie grzybów. Ośrodek naukowy Uniwersytetu w Purdue, prowadzący finansowane przez NASA badania nad rolnictwem w przestrzeni kosmicznej, wyodrębnił gatunek grzybów przystosowany do hodowli, w której zużywane byłyby roślinne odpadki: grzyby mogą przekształcić 70% odpadków roślinnych w jadalne białko, równie wysokogatunkowe co soja. (Z pewnością grzyby są lepsze od kóz). Szybko rosnące grzyby nie potrzebują światła: do hodowli wystarczy troszkę tlenu, ciemne, ciepłe pomieszczenie i łodygi kukurydzy. Innymi słowy, na farmę tych grzybów nadaje się chociażby ciemna garderoba. Mamy tu przykład technologii opracowanej z myślą o ekstremalnych warunkach przestrzeni kosmicznej, znajdującej jednocześnie wiele użytecznych zastosowań na Ziemi. Osoby nie lubiące grzybów i fasoli nie powinny tracić nadziei. Pewne zmiennocieplne, wszystkożerne stworzenia - ryby z rodzaju tilapii - mogą bardzo skutecznie przekształcać odpadki roślinne w wysokogatunkowe białko. Gospodarstwa rybne na Marsie? Czemu nie, w końcu tilapia nie wymaga bardzo dużego zbiornika z wodą, ponadto nie ucieknie i nie zje kopuły ochronnej.

W sadach rosnąć będą owoce, zatem do wykorzystania będzie również drewno. Nadaje się ono doskonale do wytwarzania mebli, ale może też trafiać - wraz z pozostałymi odpadami rolniczymi, zawierającymi celulozę - do przemysłu produkującego tworzywa sztuczne.

268 • CZAS MARSA

Hutnictwo na Marsie

Wszystkie cywilizacje techniczne bazują na umiejętności wytwarzania metali. Na Marsie surowce umożliwiające uzyskiwanie metali występują w dużych ilościach, większych niż na Ziemi.

Stal

Żelazo jest najobficiej występującym na Marsie metalem o zastosowaniach przemysłowych. Najczęściej wykorzystywaną przemysłowo na Ziemi rudą żelaza jest hematyt (Fe2O3), który na Marsie jest na tyle wszechobecny, że nadaje jego powierzchni charakterystyczny, czerwonawy kolor, a więc jest pośrednio odpowiedzialny za nazwę „Czerwona Planeta". Redukcja hematytu do żelaza jest prostym procesem, wykorzystywanym na Ziemi od mniej więcej trzech tysięcy lat, co wiemy ze wzmianek na ten temat, znajdujących się w Starym Testamencie i u Homera. Co najmniej dwa procesy można zastosować w marsjańskich warunkach. Pierwszy omawialiśmy już wcześniej: mam na myśli reakcję (1), wykorzystującą tlenek węgla, który powstaje w bazowym reaktorze RWGS:

Fe2O3 + 3CO -» 2Fe + 3CO2.

(4)

Druga reakcja wykorzystuje wodór, wytwarzany w trakcie elektrolizy wody:

Fe2O3

3H

2Fe

3H2O.

(5)

Obie reakcje, (4) i (5), są egzotermiczne, zatem po rozgrzaniu reaktora do wymaganej temperatury zachodzą bez dostarczania energii. W przypadku reakcji (5) potrzebny wodór może pochodzić z elektrolizy wody odpadowej, więc wystarczy wprowadzić do reaktora hematyt. Na Marsie rozpowszechnione są wszystkie cztery podstawowe pierwiastki stopowe do produkcji stali: węgiel, mangan, fosfor i krzem, a ponadto w znacznych

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 269

ilościach obecne są dodatkowe pierwiastki stopowe: chrom, nikiel i wanad. Dodając do żelaza odpowiednie ilości tych pierwiastków, można otrzymać właściwie dowolny wybrany rodzaj stali węglowej bądź nierdzewnej.

Pewne interesujące i nowatorskie metody niskotemperaturowego odlewania metali na Marsie umożliwia obecność w bazie dużych ilości tlenku węgla, odpadu z reaktorów RWGS. Na przykład tlenek węgla i żelazo, umieszczone razem w temperaturze 110°C, dadzą pięciokarbonylek żelaza, Fe(CO)5, występujący w temperaturze pokojowej w stanie ciekłym. Związek ten, wlany do formy odlewniczej i podgrzany do temperatury około 200°C, ulega rozkładowi. Czyste żelazo pozostanie w formie, a powstały tlenek węgla może być ponownie wykorzystany. Rozkład pary karbonylowej spowoduje odkładanie się warstw żelaza, umożliwiając wyrób wydrążonych przedmiotów o dowolnie skomplikowanym kształcie. Analogiczne karbonylki powstają z połączenia tlenku węgla z niklem, chromem, osmem, rutenem, renem, kobaltem i wolframem. Karbonylki tych metali rozkładają się w nieco odmiennych warunkach, dzięki czemu ich mieszanina rozdzieli się na czyste składniki podczas prowadzenia stopniowego rozkładu (każdy metal po kolei).12

Aluminium

Drugim pod względem ważności metalem o najszerszym zastosowaniu w przemyśle na Ziemi jest aluminium. Na Marsie aluminium występuje w całkiem znacznych ilościach: stanowi około 4% wagowych materiału powierzchniowego na planecie. Niestety, zarówno na Marsie, jak i na Ziemi aluminium występuje jedynie w postaci korundu (A12O3), bardzo mocno związanego tlenku glinu. Na Ziemi wytwarzanie aluminium polega na rozpuszczeniu korundu w stopionym kriolicie w temperaturze 1000°C i poddaniu elektrolizie w obecności elektrod węglowych, które się zużywają, podczas gdy kriolit pozostaje w nie

12 J. Lewis, R. Lewis: Space Resources: Breaking the Bonds of Earth, rozdz. 9, Columbia University Press, Nowy Jork 1987.

270 • CZAS MARSA

zmienionym stanie. Na Marsie elektrody węglowe można wytwarzać poprzez pirolizę metanu, powstałego w reaktorze Sa-batiera (rozdział 6). Reakcja ma następującą postać:

A12O3 + 3C -> 2A1 + 3CO.

(6)

Pomijając nawet złożoność reakcji (6), trudno byłoby ją wykorzystać z uwagi na wysoką endotermiczność. Do wytworzenia l kg aluminium potrzeba aż 20 kWh energii elektrycznej, dlatego na Ziemi zakłady produkcji aluminium są rozmieszczone w pobliżu źródeł taniej energii, na przykład w USA w północnej części wybrzeża Pacyfiku. Jednak podczas budowy bazy na Marsie energia nie będzie tania. Reaktor jądrowy o mocy 100 kW zdołałby wytworzyć zaledwie 123 kg aluminium dziennie. Z tego powodu wytrzymałe konstrukcje budowlane będą przede wszystkim powstawać ze stali, a nie z aluminium (choć słaba marsjańska grawitacja sprawi, że stal ważyć będzie na Czerwonej Planecie tyle, co aluminium na Ziemi). Aluminium będzie stosowane w szczególnych przypadkach: m.in. w przewodach elektrycznych oraz częściach pojazdów latających, gdzie ważną rolę odgrywa wysokie przewodnictwo lub niska waga.

Krzem

W dzisiejszych czasach krzem - z uwagi na kluczową rolę w produkcji urządzeń elektronicznych - stał się trzecim (po stali i aluminium) najważniejszym metalem przemysłowym.13 Na Marsie krzem będzie jeszcze ważniejszy, gdyż umożliwi wytwarzanie baterii fotowoltaicznych, przyczyniających się do zwiększania ilości energii dostępnej w bazie. Materiał potrzebny do produkcji krzemu metalicznego, dwutlenek krzemu (SiO2), stanowi prawie 45% wagowych marsjańskiej skorupy. Wyrób krzemu polega na zmieszaniu dwutlenku krzemu z węglem i podgrzaniu mieszaniny w piecu elektrycznym. Zachodzi wtedy następująca reakcja:

13 Krzem, ściśle rzecz biorąc, jest tzw. półmetalem (przyp. red)

BUDOWA BAZY NA MARSIE • 271

SiO2 + 2C -> Si + 2CO.

(7)

Pierwiastkiem potrzebnym do redukcji dwutlenku krzemu jest węgiel, produkt uboczny, powstający w układzie produkcji paliwa rakietowego. Wprawdzie reakcja (7) jest endotermiczna, jednak w stopniu bez porównania mniejszym niż redukcja korundu (6), więc zużycie energii jest także dużo niższe.

Krzem, powstający w wyniku reakcji (7), nadaje się do niektórych zastosowań: na przykład do produkcji węglika krzemu, materiału charakteryzującego się dużą odpornością na wysokie temperatury (używanego do wytwarzania płytek ceramicznych, które chronią kadłub promu kosmicznego przed nadmiernym rozgrzaniem podczas wchodzenia w atmosferę przed lądowaniem). W oczywisty jednak sposób wszelkie zanieczyszczenia hematytu, obecne w materiale dostarczanym do reaktora, również zostaną poddane redukcji, a zatem znajdą się w żelazie, używanym do produkcji krzemu. Ultraczysty krzem, konieczny do wytwarzania baterii słonecznych i elektronicznych „kości" do komputerów, można otrzymać dodając do procesu kolejny etap: kąpiel zanieczyszczonego krzemu w gorącym, gazowym wodorze, która powoduje zamianę krzemu w krzemometan (SiH4). W temperaturze pokojowej (oraz w wyższych temperaturach) krzemometan pozostaje w stanie gazowym, dzięki czemu można go łatwo oddzielić od stałych wodorków innych metali. Aby otrzymać zupełnie czysty krzem, trzeba przesłać krzemometan rurą do innego reaktora, w którym rozkłada się on na czysty krzem i wodór, nadający się do ponownego wykorzystania do produkcji krzemometanu. Wtedy krzem może już być domieszkowany fosforem czy innymi pierwiastkami, tworząc półprzewodnik dokładnie odpowiadający wybranym zastosowaniom.

Inna metoda polega na skraplaniu krzemometanu poprzez oziębienie do temperatury -112°C (łatwo osiągalnej, gdyż jest to zaledwie 20°C poniżej przeciętnej temperatury marsjań-skich nocy). Powstałą ciecz można bez trudu przechowywać przez długi czas w izolowanych zbiornikach. W jaki celu? Ponieważ krzemometan spala się w dwutlenku węgla. Właściwie

272 • CZAS MARSA

wszystkie omawiane dotąd marsjańskie paliwa rakietowe (np. me tan/tlen) wymagały wożenia w zbiornikach pojazdu mieszaniny paliwa i utleniacza. Na Ziemi postępujemy inaczej: wystarczy mieć paliwo - wszystko jedno, czy jest to benzyna w samochodzie, czy drewno do kominka - natomiast utleniacz (tlen) pochodzi z powietrza. Z reguły utleniacz stanowi 75% reagującej mieszaniny, zatem ziemska metoda jest nieporównywalnie wydajniejsza. W marsjańskiej atmosferze tlen występuje swobodnie w bardzo nieznacznej ilości. Prawie cała atmosfera Marsa to dwutlenek węgla, w którym spala się niewiele substancji. Jednak krzemometan spala się właśnie w dwutlenku węgla:

SiH + 2CO -> SiO + 2C

2H2O.

(8)

Podczas reakcji (8) paliwo składa się w 73% z dwutlenku węgla, natomiast krzemometan stanowi tylko 27%. Reakcja ta nie nadaje się do zastosowania w silnikach wewnętrznego spalania, gdyż część jej produktów to substancje w stanie stałym. Reakcję (8) można za to stosować do ogrzania kotła w silniku parowym, a także w przelotowych silnikach odrzutowych oraz systemach o napędzie rakietowym. Silnik rakietowy, wykorzystujący reakcję z mieszaniną krzemometan/dwutlenek węgla, charakteryzowałby się impulsem właściwym około 280 s. Na pierwszy rzut oka rezultat ten może wydawać się niezbyt imponujący, pamiętajmy jednak, że pojazd musi wieźć zaledwie 23% materiału napędowego. Rozważmy rakietę podróżniczą („skoczka") - nieduży pojazd rakietowy, wielokrotnie startujący i lądujący podczas podróży, który może służyć na przykład do dostarczania telerobotów w trudno dostępne miejsca. Pojazd taki nie musiałby wozić całego potrzebnego materiału napędowego: zapasy dwutlenku węgla byłyby uzupełniane przy każdym lądowaniu w bardzo prosty sposób - przez wpompowanie powietrza. Dzięki temu impuls właściwy takiej rakiety wyniósłby 280 s pomnożone przez stosunek całkowitej masy materiału napędowego do krzemometanu, równy 3,75. W ten sposób efektywny impuls właściwy sięgałby 1050 s, co jest wynikiem

Дата добавления: 2015-10-28