Воздух из Зоны растениеводства (8) отбирается в Камеры промежуточного обогащения кислородом и удаления углекислого газа (6), а также частично изымается из системы. Изымаемый воздух направляется на Блок газоразделительного оборудования (1) (П-7, состоящий из CO2, O2, N2, Ar). Таким образом, с одной стороны, в предложенном варианте в системе имеется некоторый внутренний круговорот, который призван уменьшить затраты энергии на газоразделение, а с другой — в Жилой зоне (5) состав воздуха всегда соответствует эталонному.
Попытка построения модели замкнутой СЖО была предпринята в Америке. Речь идет об известном эксперименте «Биосфера-2», в котором был сделан расчет на то, что в ограниченной замкнутой среде, герметически отделенной от остального мира, удастся воссоздать замкнутый газовый цикл. То есть, что CO2, выделяемый в процессе дыхания человеком и животными, будет поглощаться и перерабатываться растениями в O2, как это происходит в естественных условиях природы Земли. Однако этого, как известно, не произошло и газовый баланс «Биосферы-2» оказался смещенным в сторону большего содержания углекислого газа. Тем не менее, несмотря на то, что с помощью обычных растений полная переработка избыточных количеств углекислого газа оказалась в малых объемах невозможна, этот процесс будет в определенной мере происходить и в Зоне растениеводства (8), при некоем общем избыточном содержании CO2 часть его будет постоянно в ходе процессов фотосинтеза растений переходить в O2. Таким образом, осуществляя здесь частичное очищение воздуха от CO2 и обогащение его O2, мы получаем также возможность возвращения этого воздуха после его дополнительной обработки в Камерах промежуточного обогащения кислородом и удаления углекислого газа (6) в газовый цикл ТБС. В Камерах (6), помимо собственно обогащения воздуха кислородом (поток П-5, состоящий из O2), возможно изъятие избытков углекислого газа с помощью восстанавливаемых реагентов (поток П-8, состоящий из изъятого CO2).
Поставщиками кислорода для Камер составления воздушной смеси (2) и Камер промежуточного обогащения воздуха кислородом и удаления углекислого газа (6) является Блок водорослей (3), где происходит переработка углекислого газа в кислород (П-4, состоящий из O2) с помощью устройств, в которых поддерживается жизнедеятельность биомассы культур простейших водорослей. (Аналогом подобных устройств является, к примеру, разработанная в России система «Биос».)
Углекислота может вводиться в автотрофно выращиваемые культуры водорослей различными методами. Наиболее распространенный способ — это подача углекислоты в виде газовоздушной смеси, осуществляющей, помимо снабжения водорослей источником углерода, функцию перемешивания культуры. Найденные применительно к условиям высокоинтенсивного культивирования хлореллы насыщающие и полунасыщающие концентрации CO2 не превысили значений 1,6–1,7 % CO2 в газовой фазе (35–40∙10−5 моля растворенной CO2 на 1 л) при насыщающих интенсивностях света и плотности суспензии 600 млн. клеток в 1 мл.
Изучение зависимостей роста водорослей от условий показывает, что при наибольшей насыщающей интенсивности света продуктивность культуры в 4 раза выше при концентрации 1 %, чем при 0,25 % CO2 и обратно: при одной и той же концентрации CO2 продуктивность тем выше, чем выше интенсивность света. А чем выше продуктивность культуры, тем большее количество углекислого газа будет переработано в кислород.
Биомасса водорослей, получаемая при этом процессе, может быть использована как источник белка и физиологически активных соединений и идти как на корм сельскохозяйственным животным, так и непосредственно в питание человеку.
Табл. 3. Состав сухой атмосферы Земли (по объему) Составляющая Доли в единице объема Молекулярная масса N2 0,780840 28 O2 0,209476 32 Ar 9,34∙10−3 40 CO2 3,14∙10−4 44 Ne 1,818∙10−5 20,2 He 5,24∙10−6 4 CH4 2∙10−6 16 Kr 1,14∙10−6 83,8 H2 5∙10−7 2 O3 4∙10−7 48 N2O 2,7∙10−7 44 CO 2∙10−7 28 Xe 8,7∙10−8 131,3 NH3 4∙10−9 17 SO2 1∙10−9 64 NO2 1∙10−9 46 NO 5∙10−10 30 CCl4 1,2∙10−10 154 H2S 5∙10−11 34 HBr, BrO примерно 10−11 81; 96
Представляется естественным, что при составлении искусственной атмосферы ТБС не будет никакой необходимости в полном повторении состава земного воздуха, включая все микровключения. Состав искусственного воздуха может быть предположен следующим: N2 — около 78 % (может варьироваться в сторону уменьшения за счет некоторого увеличения доли других компонентов), O2 — 21 % (или более), Ar — 1 % и более. Для дальнейших расчетов в этой работе будет принят состав: N2 — 78 %, O2 — 21 %, Ar — 1 %.
Первичные расчеты показывают, что при переработке 1000 м3 марсианской атмосферной смеси (при «марсианских условиях» — м. у.), получим порядка 1,95 кг N2 (27 м3 (м. у.)), 1,65 кг O2 (20 м3 (м. у.)), 1,65 кг Ar (16 м3 (м. у.)), а также 104,75 кг CO2 ((937 м3 (м. у.)).
На формирование воздушной смеси (состав: N2 — 78 %, O2 — 21 %, Ar — 1 %) объемом 1000 м3 (н. у.) потребуется порядка 975 кг N2 (780 м3 (н. у.)), 300 кг O2 (210 м3 (н. у.)), 18 кг Ar (10 м3 (н. у.)).
Для того, чтобы получить из марсианской атмосферы такое количество N2, необходимо переработать порядка 500∙103 м3 атмосферной смеси.
Из этого объема при этом также будет выделено: 825 кг O2, 825 кг Ar и 52375 кг CO2.
При этом следует учитывать, что необходимость в постоянной подпитке ТБС компонентами для составления воздушной смеси извне будет значительно уменьшена за счет внутрисистемного восстановления отработанной воздушной смеси. Так, азот может внутри системы ТБС циркулировать очень долго и его количество будет лишь немного уменьшаться за счет вовлечения в круговорот азота в биогеоценозах Зоны растениеводства (8), а, изымаемый из системы вместе с отработанным воздухом, он может быть вновь выделен в Блоке газоразделительного оборудования (1) и снова вовлечен в круговорот воздуха. Кислород, перешедший в отработанном воздухе в состояние углекислого газа, может быть частично восстановлен в Зоне растениеводства (8) или полностью в Блоке водорослей (3). Также углекислый газ должен удаляться в Камерах промежуточного дообогащения воздуха кислородом (6), будучи связываем там восстановимыми химическими поглотителями (к примеру, ХПИ (химический поглотитель известковый) — Ca(OH)2, окисью кальция и т. п.). Таким образом, кислород и углекислый газ будут переходить друг в друга внутри системы, азот также будет циркулировать в ней и подпитка ТБС из атмосферы должна оказаться относительно невелика по отношению к циркулирующим внутри системы воздушным потокам, компенсируя потери газов ТБС в окружающую среду.
Являясь по своему характеру предварительной, данная глава этой работы ставит больше вопросов, чем решает. Вопросы, поставленные ею, представляются весьма важными для решения задач проектирования марсианских ТБС. Однако при этом, все вопросы представляются разрешимыми, а препятствия — принципиально преодолимыми.
Задача синтеза сырья для химической промышленности марсианской колонии
В нашем обществе нефть по сию пору используется в большей части как источник энергии, хотя еще Менделеев в свое время говорил о том, что использование нефти подобным образом равноценно «топке печи ассигнациями». Ведь нефть — это, прежде всего, богатейший источник углеводородов для синтеза разнообразных полимеров, без которых наша современная жизнь просто непредставима. Применение изделий из полимеров столь обширно и разнообразно, что наше время вполне можно было бы, по аналогии с различными прошедшими периодами в истории человечества, назвать Веком Полимеров. При планировании колонизации Марса естественным образом встает вопрос об источнике углеводородов. Итак, зададимся вопросом: «Есть ли на Марсе нефть?»
