Заметки о технологии строительства на Марсе

 

 

I. В начале база потом колония. 1

II. Начальные условия и ресурсы... 2

1. Климат и погода. 2

2. Мечты о марсианской архитектуре. 4

3. Строительные машины... 8

4. Стройматериалы... 9

III. Переработка стройматериалов.. 9

IV. Строительство.. 12

1. Начальный этап.. 12

2. Внутренне покрытие стен.. 13

3. Наружное строительство.. 13

4. Работа с водой на поверхности Марса. 13

6. Оборудование и материалы завозимые с Земли.. 17

V. Тепло – вторая по важности проблема на Марсе. 18

1. Проблемы с сохранением тепла. 18

2. Утепление помещений.. 18

3. Оранжерея или теплица?.. 20

4. Обогрев на Марсе. 22

VI. Детали интерьера и бытовые предметы... 23

1. Внутреннее оборудование. 23

2. Мебель.. 25

3. Бытовые предметы... 26

V. Заключение. 26

 

 

 

 

 

 

I. В начале база потом колония

 

Есть большая вероятность того, что со временем Марс может стать обитаемым. В начале люди будут жить на научных базах, в модулях привезенных с Земли. Скорее всего, это будут временные базы, возможно даже мобильные. Со временем может возникнуть потребность в создании постоянно действующих баз на поверхности Марса. В этом случае потребуется осуществлять строительные работы.

Привести все необходимое с Земли можно только для сооружения ограниченной по масштабам временной базы. В данном случае это могут быть герметичные и оборудованные всем необходимым для проживания модули. Кроме жилых сооружений в состав базы будут входить источники энергии, средства передвижения, запасы разного рода запасных материалов, сооружения для оранжерей, и прочие подсобных помещений. На первых порах все это будет доставлено с Земли.

Однако когда база начнет расширяться, то потребуются новые сооружения. Возможно, потребуется соорудить для жилых модулей укрытие от космических лучей. Поэтому неизбежно на Марсе придется осваивать строительные технологии, опирающиеся на местные ресурсы. Так расширяясь, база может постепенно превратиться в колонию, где постоянно будут жить люди.

Один из сценариев развертывания базы на Марсе предусматривает с самого начала строительство сооружений или использование естественных природных образований, типа пещер. Но даже при использовании пещер придется осуществлять те или иные строительные операций.

Мы будем исходить из того, что место для будущей колонии будет выбрано исходя их ряда критериев. Среди которых отметим наличие подходящего рельефа, полезных ископаемых, подходящих грунтов для строительства. Важнейшим полезным ископаемым в месте расположения колонии будет конечно залежи водяного льда. Причем льда относительно чистого, а не замерзшего рассола. Для строительства степень чистоты воды в первом приближении не имеет такого большого значения, но людям и растениям нужна чистая вода. Тратить энергию и ограниченные ресурсы для очистки сильно загрязненной воды было бы не желательно.

Так же место расположения базы-колонии должно быть уникально с точки зрения возможной производственной деятельности. Например в этом месте будут находятся залежи полезных ископаемых.

Пока мы мало знаем о том, какие минералы и горные породы встречаются на Марсе. Поэтому диапазон предложений по использованию местного сырья ограничен нашими текущими знаниями. Однако некоторые предложения можно сделать. Этому и посвящена данная статья.

 

 

II. Начальные условия и ресурсы

 

1. Климат и погода

Марс планета, где большую часть времени суток температуры находятся ниже нуля градусов. Жидкой воды нет, в атмосферы водяного пара мало. Иначе Марс очень сухая и холодная планета с разряженной атмосферой на 95% состоящей из углекислого газа. Кроме СО2 в атмосфере Марса есть азот (2.5%) и аргон (1.5%).  Кислорода - 0.1% водяного пара - 0.2%.

На полюсах сконцентрированы большие количества льда. Вот только до конца не известно, сколько там водяного и сколько сухого люда. Предполагается наличие вечной мерзлоты.

Давление на поверхности Марса порядка 6 мбар или такое же, как в земной атмосфере на высоте порядка 35 км. Человек без скафандра на поверхности Марса потеряет сознание через 10 -15 сек, а если давление и состав воздуха не будет восстановлен в течение одной максимум двух минут и ему не будет оказана экстренная помощь, то наступит летальный исход.

В течение суток температура на Марсе меняется так. Вблизи полудня на экваторе предметы нагреваются до +20С  -  + 27С, тогда как воздух остается холодным. На высоте 1 м уже ниже нуля. Утром и вечером температура поверхности находится ниже нуля, а ночью под утро может опуститься до -100ºС. В средних широтах температура ночью примерно такая же как и на экваторе ночью, но днем предметы нагреваются только до 0ºС. На полюсе температура может упасть уже до - 123 ºС. Контраст суточных температур на экваторе достигает 130ºС. В целом температурные условия более суровые чем в Антарктиде. Сохранение тепла в обитаемых сооружениях становится одной из самых важных проблем будущих колонистов.

Серьезный климатический фактор, присутствующий на Марсе - мощные пыльные бури. Во время пыльной бури происходит переохлаждение поверхности планеты, но при этом несколько нагревается атмосфера. При пыльной буре в атмосферу поднимается много пыли. Скорее всего, колонистам на Марсе во время пыльных бурь придется сократить свое присутствие вне базы до минимума. Поэтому колония или база должны быть расположены компактно, и располагать всем необходимым для длительно проживания людей в пределах ограниченного пространства.

На поверхности Марса уровень радиационного облучения примерно в два раза ниже, чем в космическом пространстве. Но все равно это высокий уровень. Длительное пребывание без специальной защиты будет приводить к накоплению доз облучения со всеми вытекающим последствиям. В отдельные периоды из космоса приходят ливни космических частиц, и уровень радиации может повыситься в десятки и сотни раз по сравнению со средним фоном. Поэтому сооружения должны обеспечивать максимальное поглощение радиоактивных частиц. Определенные трудности будет представлять защита от частиц сверхвысоких энергий. Полное поглощение излучения до уровня фона близкого с земному возможно только на большой глубине под поверхностью Марса.

Сооружения базы-колонии должны: а) Иметь нормальный состав воздуха, что требует создания систем жизнеобеспечения с замкнутым циклом по кислороду и воде. Для выхода на поверхность помещения должны быть оборудованы шлюзовыми камерами. б) Надежную теплоизоляцию, чтобы эффективно сохранять тепло при минимальных энергозатратах. г) Требуется постоянный подогрев помещений. д) Требуется эффективная радиационная защита жилых помещений.

 

 

Рельеф

Удобно расположить базу в долине, на солнечном склоне рядом с крутой скалой. Крутая скала будет использована для строительства штольни ведущей с поверхности вглубь горы. Кроме того скала создаст теневую радиационную защиту с одной из сторон. Под скалой с солнечной стороны лучше обогрев. Случайно рядом с местом для поселения может оказаться пещера или грот. Такие пещеры на Марсе могут иметь или гидрологическое или вулканическое происхождение. Однако в первом приближении такую возможность, как наличие пещеры мы обсуждать не будем.

Грунт

Грунт на выбранной площадке для строительства должен допускать строительство тяжелых сооружений без специального фундамента. Таким условиям отвечает скальный грунт. Однако строительство на твердых скальных породах может быть затруднительным. Поэтому выбор площадки для строительства имеет большое значение.

Полезные ископаемые и строительные материалы

Вот неполный список того, что можно встретить на Марсе. Водяной лед, базальт, вулканический туф, вулканическая пемза, глина, гипс (СаSO3·2H2O), карбонат кальция (CaCO3), различные соединения железа (Fe2O3; Fe3O4), кварц (SiO2). В принципе есть ряд минералов, которые примерно одинаково распространены на Земле и на Марсе. Несмотря на наличие 92 стабильных химических элементов число минералов ограниченно несколькими тысячами. Это связано общим генезисом минералов на планетах Солнечной системы. Однако гадать без точных данных мы не будем. Строительные материалы находятся в виде скальных пород, каменных обломков, бута, щебеня, глины, песка.

Источники энергии

Источниками энергии могут быть: ядерный реактор, солнечные электростанции, как на солнечных батареях, так и на основе принципа теплового двигателя. В отличие от Антарктиды, где полярники не ограничены в энергоресурсах, марсиане вынуждены будут жить в условиях постоянного дефицита энергии. Поскольку единственным мощным источником энергии на Марсе может быть ядерный реактор. Но ограниченность ресурса, трудности доставки, обслуживания, смены топлива и наличие временных «окон» для транспортного снабжения не гарантируют длительное и бесперебойное использование ядерной энергии. Поэтому колонисты будут вынуждены экономить энергию и всячески продлевать ресурсы энергоисточников. Одновременно использовать альтернативные источники энергии. На Земле биосфера накопила большое количество химических источников энергии в виде дерева, угля, нефти, газа. Ничего такого на Марсе не ожидается. Возможно наличие незначительных запасов графита в виде вкраплений  вряд ли имеющих какое либо практическое значение. Возможно наличие запасов метана. Выбросы метана регистрировались со спутников, но происхождение этого метана пока не известно.

На Марсе могут широко применяться вторичные химические источники энергии. При получении кислорода из СО2 будет получаться СО и углерод. Из воды - водород. Из водорода и СО2 можно синтезировать метан и другие горючие органические соединения. В соединении с кислородом может гореть: углерод, СО, Н2 СН4. Для первоначального получения кислорода и топлива надо затратить энергию. На Земле это сделала биосфера за миллионы лет. Если на Марсе не было мощной биосферы в прошлом, то ископаемых видов топлива там нет. Поэтому первичным источником энергии будет Солнце и ядерная энергетика. Для совсем маломощных потребителей, например метеоприборов или радиомаяков, можно воспользоваться перепадами температур (день - ночь, поверхность – атмосфера, поверхность - почва) и ветряными установками.

Для ночного обогрева можно применять накопление энергии в виде нагретой за день воды. Пока не известна температура в глубинах Марса. Но если на доступной для бурения глубине температура составляет хотя бы 20º - 30ºС, то это тепло можно использовать для обогрева по принципу теплового насоса. В тепловых насосах на Земле используют и более низкие температуры почвы, однако на Марсе придется столкнуться со значительно большими потерями тепла, чем на Земле, поэтому потребуется «выкачивать» значительно больше количество тепла. Но глубины, где достигается такие температуры, могут быть не доступными, трудозатраты огромными, поэтому использование глубинного тепла пока только потенциальная возможность. Здесь не обсуждается наличие тектонического тепла, так как Марс остыл значительно сильнее Земли и наличие гейзеров и действующих вулканов там пока не подтверждается.

 

2. Мечты о марсианской архитектуре

В Интернете можно встретить проекты сооружений предназначенных для колонизации Марса. При этом большинство приведенных проектов сооружений не выдерживают критики. Обычно это некие купольные прозрачные сооружения. Иногда цилиндрические модули.

Примеры таких строений приведены на рисунках.

Рис.1. Купол от «Red Colony»

Рис.2. Наземные испытания «бочки» от «Mars Society»

Рис.3. «Бочка» на Марсе от «Red Colony»

Рис.4. Еще один вариант купола.

Ил. Popular Science

На приведенных рисунках фантазия художников безудержна и какой-либо инженерной проработки видимо нет. Примеры, приведенные на рисунках, страдают рядом недостатков. На рис.1. Купол явно слабо защищает от радиации. Прозрачные материалы обычно имеют высокую теплопроводность, а площадь купола велика. Ночью температура снаружи опускается до -100ºС, и сохранить тепло внутри будет крайне трудно. Резкие перепады температуры приведут к тому, что малейшие дефекты будут увеличиваться и такой купол будет не долговечным сооружением. Строить каркас купола «Красные колонисты» собираются из марсианского железа, в которое они подмешают углерод и получат сталь, а сам купол построят из плексигласа, который синтезирую с помощью бактерий. Все это выглядит достаточно фантастично и может быть отнесено к технологиям очень отдаленного будущего. Видимо на это указывают и облака, как результат определенного этапа терраформации. Поэтому сомнительно, чтобы такая конструкция пригодится для Марса на ранних этапах его освоения.

Следующее сооружение испытывалось в проекте Mars Desert Research Station (MDRS) in Utah, USA в 2004 г. под эгидой «Mars Society». Данные эксперименты могут служить основой для изучения пребывания замкнутых коллективов в условиях ограниченного пространства и относительной изоляции. К реальным сооружениям для долговременной марсианской колонии это не имеет прямого отношения. Так может выглядеть модуль временной базы, который целиком доставляют с Земли. Теплица показанная рядом явно предназначена для земных, а не для марсианских условий. Сохранить тепло в прозрачных сооружениях из пленки на Марсе будет практически невозможно.

Однако инженеры «Red Colony» видимо именно так мыслят временную базу на Марсе, что видно по следующему рисунку. Модуль типа «бочка» прямо срисован с экспериментального модуля «Mars Society». Хотя небо «мутное», что может указывать на определенный этап терраформации, но сомнительно, что через сотни лет будут строить такие примитивные сооружения. Скорее это сооружение для самого начального этапа освоения Марса по воле художников попавшее в более поздние времена.

Бросается в глаза и такая странность. Несмотря на то, что на Марсе ожидается дефицит металла рядом с модулем установлен высокий столб только лишь для того, чтобы повесить там фонарь. И провода метров 15 не пожалели. Зачем нужен фонарь на Марсе? Чтобы работать ночью скажет любой дурак. Но какой дурак будет работать ночью на Марсе, если там ночью очень холодно? Подождать до утра, что ли нельзя? Да и висит фонарь высоко, хорошо поверхность освещать он не будет, да и фонарь на рисунке тусклый. Надо полагать где-то за кадром остался еще такой же модуль, в котором отрыт ночной бар со стриптизом и фонарь нужен, чтобы подгулявшие колонисты не заблудились темными марсианскими ночами среди песчаных барханов. Если серьезно, то для освещения пространства вокруг модуля можно было повесить пару фонарей и на самом модуле, он и так достаточно высокий.

На четвертом рисунка так же много абсурда. Избыточное внутренне давление на купол компенсируется колоннами, которые по логике предназначены для удержания купола, но судя по рисунку они скорее предназначены для подержания купола, чтобы он не упал. По идее все пространство под таким куполом должно быть занято растениями. Ведь чем больше биомасса растений, тем больше кислорода. Растений должно быть как в тропическом лесу. Мы же видим три хилых деревца, десяток кустиков и мелкую травку. Домик странной архитектуры, который можно построить только из бетона и почему-то марсиане не поленились проложить, судя по всему бетонные дорожки и построить мостики. А вот жизненно важные для них растения посадить поленились. Зачем под куполом бетонные дорожки? На Земле в садах и парках мостят дорожки, чтобы после дождя не было грязи там, где ходят люди. Но на Марсе под куполом дождей не бывает! Поэтому было достаточно посыпать дорожки гравием или вообще ходит по траве.

Можно ли доверять проектам таких обществ, как «Mars Society» и «Red Colony», если на их официальных сайтах представлены, мягко говоря, странные идеи? Скорее художниками и инженерами планетарных преобразований из таких обществ владеют земные стереотипы или сайты они делают для профанов.

Однако есть и более реалистичные проекты, хотя и не лишенные определенных недочетов.

 

 

Рис.5.

Рис.6.

Рис.7

Рис.8

 

На рис.5. показан этап первоначальной базы, когда строительство еще не начато. Виден взлетно-посадочный модуль на заднем плане, на переднем плане видимо жилой блок и оранжерея. Еще ближе герметичный марсомобиль. Опять же оранжерея простейшая, надувная из прозрачных пластиковых материалов и не имеет явно видного утепления. Сомнительно, что без мощного подогрева такая оранжерея не промерзнет ночью. Однако мы не видим на рисунке источников энергии. Явно нет солнечных батарей. Где могли спрятать реактор? Ну разве что реактор малогабаритный и установлен блоке между оранжерей и жилым блоком? Хотя реактор можно было и подальше убрать. Видимо он просто остался за кадром. Да нет на следующем рисунке его тоже не видно. Но тогда рисунок не полноценно демонстрирует оснащение марсианской базы.

Рис 6 и 7 посвящены этапам строительства капитального сооружения. Видно, что в начале был выкопан котлован. Из неизвестного материала (белого цвета) сооружено что-то малопонятно, но похожее на сплошной фундамент. Зачем? Грунты слабые? И как это построили. Бетонную стяжку заливали?

На этом сплошном основании строятся купольные сооружения видимо из блоков или кирпичей. Где-то рядом наверно есть карьер. Как видно на рис.7 построенные купольные сооружения окружают высокой опорной стенкой темно-коричневого цвета и строят не понятным способом толстую стену. Непонятно как строят, потому, что стена относительно тонкая, а по цвету сделана из грунта. Насыпать сухой марсианский грунт с углом наклона в 70º - 80º никак не получится, поскольку это сыпучий материал. Для строительства такой стены грунт можно скрепить, например водой, которая замерзнет и скрепит стену. Но ничего такого на рисунке не наблюдается. Однако такая по мнению авторов стена видимо выполняет роль тепло и радиационной защиты, и такая предусмотрительность не может не радовать.

Наконец на последнем рисунке видно окончательное сооружение. В такого рода постройке сможет жить несколько сот человек. Художник не учел, что место для строительства выбрано не лучшим образом. Это равнина. Даже не Земле в чистом поле строят по крайней необходимости. Как известно на равнине часто дуют сильные ветры, которые несут много пыли, создают ветровую нагрузку и охлаждают сооружение. Видимо выгоднее было подобрать место для строительства поселения в некой уютной долине, где заведомо теплее, где есть высокие склоны, которые концентрируют часть солнечной энергии и дополнительно обогревают долину, и нет высоких возвышенностей с противоположной стороны.

 

Рис. 9. Строительство купола (слева). Строительство купола на «Марсе» (справа).

 

В заключении приведу пример наивной попытки воссоздания строительных технологий. Слева на рис. 9. реальное строительство купола из кирпичей и глины где-то в Азии или Северной Африке. Обращаю внимание на установку  кирпичей в куполе. Кирпичи упираются друг в друга нижним гранями и фиксируются с помощью глины. Притяжение земли заклинивает кирпичи и делает весь купол устойчивым. Атмосферное давление внутри и снаружи будущего сооружения одинаковое. Совсем другая ситуация ждет строителей на Марсе. Там внутри сооружения будет высокое избыточное давление, и данный принцип уже работать не будет. Просто-напросто кирпичную кладку такого типа разорвет давлением воздуха. Чтобы это не произошло после завершения строительства и до наддува сооружения воздухом требуется стянуть все сооружение или придавить слоем грунта. Причем слой грунта должен быть толщиной метров 10!

На правом рисунке два «придурка»-имитатора строительных технологий пытаются в неудобных скафандрах сложить камни. Данный эксперимент может быть только испытанием скафандров. Но не понятно зачем «придурки» под номерами 4 и 5 что-то пытаются строить. Причем еще и доску подмостили. Где они найдут доски на Марсе? Очевидна бессмысленность этого опыта. Судя по всему, такие эксперименты проводит одно из марсианских обществ упомянутых выше для привлечения инвестиций или для «отмазки» истраченных средств.

3. Строительные машины

Требуется как минимум один мини трактор на электрической тяге с универсальным набором сменных приспособлений. Поскольку вес на Марсе меньше чем на Земле, то здесь не требуется большой и мощный трактор. Грубо трактор будет в три – четыре раза меньше чем трактор типа «Беларусь». Однако мини трактор должен иметь комплекты съемных приспособлений, которые превращают его в бульдозер, экскаватор, кран, погрузчик сыпучих материалов и тягач. В комплект к трактору требуется прицеп для перевозки стройматериалов. Особенность трактора состоит в наличии герметичной и обогреваемой кабины. Причем не обязательно чтобы в кабине был нормальный воздух. Наличие компенсирующего давления позволит использовать в кабине более удобный скафандр.

Поскольку наличие стройматериалов непосредственно на площадке ограниченно, то потребуются дальние поездки, поэтому желательно иметь трактор на гибридном источнике энергии. Пока реально обсуждать электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания (ДВС). На самом тракторе установлены солнечные батареи (СБ), но электродвигатель можно так же питать по кабелю, или (ДВС) на запасах топлива и окислителя. Тогда можно использовать трактор без солнечных батарей, вдали от источника электроэнергии или ночью. Сделать мощный трактор на солнечных батареях видимо будет затруднительно из-за большой площади СБ. Поэтому возможен вариант, что СБ трактора будут применяться только при работе с малой мощностью или при передвижении по ровной местности. При работе в карьере или на стройплощадке к трактору с помощью кабеля будет подключаться дополнительные стационарные секции СБ.

Использование ДВС на Марсе ограниченно тем, что требуется наладить масштабное производство, как топлива, так и окислителя. Топливом может служить метан, а окислителем кислород. Возможно и применение кислород-водородной энергетики. Поскольку топливо придется производить на Марсе для заправки ракет, поэтому использования тракторов и мобилей на ДВС нельзя исключать. Как вариант возможно применение на Марсе трактора с источником энергии на основе ядерного генератора термоэмиссионного типа. Поскольку кабина трактора все равно должна иметь усиленную радиационную защиту, то использование ядерных источников энергии не создаст больших трудностей. Замечу, что трактор для обеспечения сцепления с грунтом не должен быть совсем легким. Поэтому радиационный «зонтик» и реактор уже дадут не малый вес. Потребуется определенные конструкторские усилия, чтобы и не переутяжелить конструкцию.

Кроме того, желательно иметь возможность для дистанционного управления трактором. Это позволит в частности более рационально использовать людей. В этом случае можно дистанционно управлять трактором на некоторых работах в отдаленном карьере, не посылая туда людей. Такой карьер может быть расположен дальше, чем несколько часов пути и поездки туда людей будут предполагать ночевку вне надежного укрытия базы, что может представлять определенные трудности и таить опасности для людей.

 

 

 

4. Стройматериалы

Стройматериалы доступные на Марсе: глина, щебень песок, бут, искусственные камни. На первый взгляд щебня, песка и каменей на Марсе предостаточно. Но это обманчивое представление, поскольку стройматериалов естественного происхождения на Марсе не больше чем на Земле. При том же внутреннем объеме сооружения общий объем строительства на Марсе из-за необходимого сооружения радиационного укрытия, повышенных требований к теплоизоляции и газоизоляции значительно больше чем на Земле. Поэтому обязательно потребуется добыча стройматериалов и доставка их к месту строительства. Потребуется так же изготовление искусственных стройматериалов на основе переработки местного сырья. При добыче стройматериалов (бут, щебень) могут понадобиться взрывные работы и соответственно производство взрывчатки на Марсе. О химическом производстве см. отдельную статью.

 

 

III. Переработка стройматериалов

 

Основным компонентом искусственных стройматериалов на Марсе, скорее всего, будет алебастр. На Марсе уже найдены большие залежи гипса. Химический состав гипса СаSО3·2Н2О. В природе гипс образуется из водных растворов. После отжига гипс теряет воду и превращается в алебастр. В присутствии влаги алебастр очень быстро «схватывается», поглощая воду, которая снова входит в состав кристаллической решетки. Время для схватывания алебастра составляет от нескотских минут. Полное высыхание от нескольких часов. В этом плане алебастр выгодно отличается от цемента или глины. Для обретения цементом полной прочности нужно время порядка 20 дней при плюсовых температурах. Хотя предварительное схватывание цементно-песчаной смеси происходит в течение часов. Однако сырой бетон нельзя переохлаждать еще в течении как минимум двух-трех суток.

На Марсе при давлении в 6 мбар вода в составе строительной смеси сразу вскипит, поэтому любые работы с использованием строительных технологий использующих воду должны осуществляться при искусственно созданном давлении порядка 50 мбар. Поэтому получение искусственных камней из алебастра предпочтительнее, так как партия таких камней будет готова уже через сутки, тогда как для бетонных технологий требуется несколько суток. Поддерживать в неком подсобном помещении избыточное давление и плюсовые температуры в течение длительного времени на Марсе потребует лишнего расхода энергии.

Кроме того, для производства цемента требуется намного более сложная и энергозатратная технология. Требуется сырье  виде окиси кальция СаО или известняка СаСО3 и вещество, содержащее окись кремния SiO2, возможно также добавки окиси алюминия или железа AlO2 и Fe2O3, в последнем случае лучше всего использовать глину подходящего состава. Месторождения СаО могут существовать на Марсе скорее гипотетически. Месторождения же СаСО3 или марсианского известняка возможны, так как из водного раствора в начале выпадает именно СаСО3, а уже потом СаSО3·2Н2О. Уже позднее выпадают высокорастворимые соли, и последней кристаллизуется NaCl. Поэтому под гипсом на Марсе могут быть и залежи известняка.

Из-за длительного времени высыхания применение цемента и бетона возможны только в закрытых помещениях, например в тех же тоннелях и штольнях, где относительно несложно создать и высокое давление и поднять температуру на длительное время. Но все производство бетона будет возможно только после открытия месторождений известняка на Марсе и после того как будет доставлено на Марс оборудование для получения цемента. В частности специальные шаровые мельницы и печи для обжига. Для обжига известняка требуется температура порядка 1000ºС. Получаемая в результате обжига известняка окись кальция, является всем известной негашеной известью или окисью кальция (СаО), Путем гашения СаО можно получить обычную известь, которая может также найти применение в строительстве. При производстве цемента требуется обжиг специальной смеси (известняк, мергель, глина и т.п.) при температурах до 1500ºС с последующей перемолкой продукта в мелкий порошок. Сложность технологии делает получение цемента на Марсе проблематичным занятием.

Для обжига гипса и получения алебастра требуется значительно более простое оборудование. Гипс требуется измельчить и поместить под прозрачный колпак. Потом нагреть всего до 140ºC - 190ºC с помощью солнечного концентратора, периодически помешивая порошок для лучшего прогрева. Можно нагреть гипс и в электрической печи. Обычный состав алебастра СаSО3·0.5Н2О. Гипс содержит 22% кристаллизационной воды, эту воду имеет смысл собирать, при наличии дефицита чистой воды. Поэтому нагрев следует осуществлять под прозрачным колпаком или в закрытом сосуде с возможность удаления оттуда паров воды с последующей их конденсацией. Собранную кристаллизационную воду потом можно использовать для затворения алебастра. Конечно, если в месте расположения колонии будут большие месторождения льда, собирать кристаллизационную воду не имеет смысла, тогда нагрев солнечным концентратором можно осуществлять и без колпака. Хотя колпак создаст теплоизоляцию и облегчит достижение высоких температур. Конечно масштабное производство алебастра можно осуществить только с помощью электронагрева.

Полученный порошок алебастра сразу готов к применению. Прочность изделий из алебастра не слишком велика и сильно уступает прочности изделий из бетона. Однако из-за меньшей силы тяжести нагрузка на конструкции на Марсе меньше. Для повышения прочности в алебастр можно добавлять песок, пемзу или волокнистые материалы.

Волокнистые материалы в условиях Марса можно получать из базальта. Базальтовая крошка плавится в электрической печи и выдавливается через отверстия. Так на Земле получают базальтовую вату. Базальтовая вата найдет широкое применение на Марсе в качестве теплоизолирующего материала.

Из алебастра сравнительно легко изготовлять, а главное быстро камни и плиты стандартных размеров. Для этого приготовленный раствор алебастра быстро заливают в форму. Спустя пару - тройку часов готовое изделие можно извлечь и отложить в сторону для окончательного высыхания. Быстрота схватывания позволить за короткое время (несколько дней) изготовить необходимое количество камней.

Как уже указано выше, все процедуры до высыхания изделий должны осуществляться в условиях повышенного давления и при температуре выше 0ºС. Для таких работ вполне достаточно соорудить герметичную палатку больших размеров. Для входа подойдет несложный шлюз с замками на «молниях». Внутрь палатки вдувается марсианский воздух, созданное давление поддерживает сооружение. Для противостояния ветрам палатка дополнительно крепится оттяжками. Температура внутри повышается с помощью электрокалориферов.

Производство керамики так же можно осуществить в условиях Марса, но потребуется наличие закрытых помещений и печей для сушки и отжига. Так можно из смеси глины и песка делать такие же кирпичи, как и на Земле. Но продолжительность работ длительная, поскольку требуется предварительная сушка изделий перед обжигом, и соответственно трудоемкость изготовления и энергозатраты будут высокими.

Другой возможный вариант - изготовление плавленых камней из базальта или из силикатного песка примерно, так как делают стекло. Для снижения температуры плавления SiO2 в шихту для производства стекла добавляют соду. Однако наличие месторождений соды на Марсе пока находиться под вопросом. В природе сода встречается в отложениях соленых озер, поэтому её также можно ожидать на Марсе. Искусственно сода NaCO3 может быть получена из СО2 и NH3 при участии NaCl. Получение аммиака будет описано ниже. В состав шихты для производства стекла может входить СаО, о получении которого уже упоминалось.

Классическое стекло не слишком подойдет для условий Марса, так как плохо выдерживает перепады температур. В этом плане лучше использовать кварцевое стекло, но этому мешает слишком высокая температура плавления окиси кремния (2000ºС).

В качестве строительного раствора на Марсе лучше всего использовать клеящую массу на основе алебастра или классический глиняный раствор с мелким песком. Глиняный раствор можно применять вместе с бутом при укладки не сильно нагруженных фундаментов. Однако применение алебастра и глины требует повышенного давления и температуры. Хотя пониженное давление ускоряет высыхание, но при столь низком давлении как на Марсе может произойти вскипание воды, внутри объема стройматериала, что приведет к его вспучиванию. Глина также хуже подходит для обмазки или штукатурки. В глину требуется добавлять волокнистые наполнители. Тогда как алебастром в смеси с необожженным мелко толченым гипсом можно штукатурить внутреннею поверхность тоннелей для уменьшения потерь газа. У алебастра здесь есть преимущество – быстрое застывание и способность без растрескивания держаться на стенах и потолке.

Вскипание воды при низком давлении может быть использовано для получения вспененного алебастра, такая технология еще должна пройти испытание. Хотя можно ожидать, что вспененный алебастр будет хорошим теплоизолятором. Плитами из вспененного алебастра можно будет облицовывать внутренние поверхности помещений, так же как это делают сейчас гипсоплитами.

В том случае если в месте расположения колонии будут выходы мягкой горной породы типа туфа, сланца, песчаника, то возможно изготовление строительных камней путем распиловки горных пород. 

Однако могут найти применение и простые буто-глиняные сооружения. Стены выкладываются из крупных бутовых камней, которые скрепляются раствором из глины и песка. Проблемой является только длительное высыхание глины. Поэтому стены придется строить в условиях наддува и подогрева.

Для скрепления бута может использоваться и обычный лед. Но это при условии наличия больших запасов воды с вместе расположения базы. В последнем случае можно применять и пиленый лед для сооружения некоторых стен. Низкие температуры большую часть суток и применение теплоизоляционной обмазки позволят стенам, сложенным из глыб льда не таять. Такие сооружения пригодятся для подсобных помещений. А простые стены из бута или льда могут служить теневыми радиационными укрытиями.

Таким образом. Наиболее перспективным на Марсе является использование искусственных камней сделанных на основе алебастра. Потом по степени сложности идут буто-глинянные смеси, пиленый камень, плавный базальт, кирпичи на основе обожженной глины и возможно в отдаленной перспективе - цементные изделия.

 

 

IV. Строительство

1. Начальный этап

Расчистка стройплощадки и начало строительства тоннеля вглубь скалы. Расчистка стройплощадки предполагает удаление с выбранной площадки поверхностного рассыпчатого материала, и всех неровностей. Желательно углубить площадку под будущее сооружение на 0.5 – 1.5 метра, до сплошных скальных пород. Площадь очищенной площадки должна несколько превышать площадь будущего сооружения. Однако такое масштабное строительство возможно при наличии строительной технике. Работать в ручную в скафандре практически не возможно. Выбранный грунт в дальнейшем будет использован для подсыпки и в качестве наполнителя. Здесь можно использовать взрывные работы.

Точно также взрывные работы можно использовать при прокладке тоннеля, если скальные породы твердые (базальт). Здесь потребуется сверление отверстий для закладки взрывчатки и наличие самой взрывчатки. Однако с практической точки зрения хорошим случаем было бы строительство тоннеля в скале из вулканического туфа. Такой материал легко режется и пилится, без применения взрывных работ. Кроме того, имеет низкую теплопроводность. Однако имеет и недостатки: высокую газопроницаемость, наличие неоднородных по прочности участков, меньшую способность к поглощению жесткого излучения, чем более плотные породы. Выбранные из тоннеля камни правильной формы пригодятся при строительстве на поверхности.

Тоннель длиной в несколько десятков метров должен заканчиваться двумя или большим числом помещений объемом больше 10 м3 каждое. Объем помещений и их число определяется исходя из наличного числа людей, поскольку в первую очередь, данные помещения будут служить убежищем на случай мощного космического ливня. В такие периоды люди должны находиться под скалой от нескольких часов до нескольких суток. Поэтому убежище должно предусматривать нахождение людей хотя бы в одном из помещений без скафандров. В дальнейшем там могут быть оборудованы и жилые помещения. Поэтому вход в тоннель оборудуется шлюзом, а стенки тоннеля и помещений как минимум штукатурятся гипсовым раствором. Объем помещения зависит и прочности скальной породы. При недостаточной прочности породы при вырубке помещений будут оставляться поддерживающие свод колонны. Однако меньшая сила тяжести позволяет на Марсе строить большие по объему помещения.

 

2. Внутренне покрытие стен

Оборудование помещений в искусственных или естественных пещерах потребует применений особых материалов для покрытия внутренней поверхности для исключения утечки газов и теплоизоляции.

Самое простое, что можно предложить - обычная штукатурка на основе алебастра. Для утепления лучше гипсовый раствор смешивать с пористым наполнителем. Можно предположить, что на Марсе будет разработана технология вспенивания штукатурного раствора непосредственно при нанесении его на поверхности. Газопроницаемость такой штукатурки возможно будет высокой. Для уменьшения газопроницаемости следует нанести дополнительное покрытие поверх штукатурки. Можно рекомендовать многослойную штукатурку из пористых и плотных слоев. На Земле достаточно было бы применить масляную краску или мастику. Что применить на Марсе? Пока трудно сказать. Но вести с Земли еще и краску вряд ли разумно. Возможно развитие технологии химического синтеза из СО2 на Марсе со временем позволит производить некие полимерные материалы, которые пригодятся в качестве герметичных покрытий. 

 

3. Наружное строительство

После расчистки котлована и подготовки поверхности следует изготовить фундамент для опоры сооружения. Из-за меньшей силы тяжести, отсутствия влаги и соответственно эффектов промерзания грунтов фундамент может быть достаточно тонким. На скальном грунте он вообще может не понадобиться, или понадобиться в виде выравнивающей стяжки. Заливать, как это делают на Земле, сплошной бетонный фундамент на Марсе затруднительно технически. Поэтому остается изготовление фундамента с опорой на отдельные точки (столбчатый фундамент) или выкладывание фундамента из отдельных блоков цельного камня. Здесь все зависит от грунта. Если грунт глиняный, то придется подсыпать песок и выложить фундамент из блоков. Например, блоки размерами примерно 1х0.5х0.5 м придется выпиливать, вырубать или оттесывать отдельно. Для сооружения размерами 5х5 м потребуется примерно 50 таких блоков.

 

4. Работа с водой на поверхности Марса

Поскольку прямое использование жидкой воды на поверхности невозможно, то придется в месте строительства сооружать временное надувное сооружение для увеличения давления и температуры в месте проведения работ.

Например так. Над вырытым котлованом натягивают пластиковый шатер. Края шатра прочно прикрепляют к грунту и тщательно присыпают грунтом для обеспечения относительной герметичности. В центре шатер временно опирается на длинную трубу или раздвижную конструкцию. Предусматриваются и внутренние распорки для придания соответствующей формы. Затем поддувают компрессором внутрь марсианский воздух. Воздух можно дополнительно подогреть. После увеличения давления под шатром до 25-50 мбар и повышения температуры хотя бы до 0ºС можно начинать работы. Вода на стройплощадке, скорее всего, будет заготовлена в виде ледяных глыб. Поэтому потребуется растопление льда. Также предварительно должны быть заготовлены другие стройматериалы. Вход и выход людей наружу осуществляется через шлюз из пластиковых материалов с застежкой типа «молния». К этому времени уже возможно будет построен непосредственный переход в тоннель со стройплощадки.

Поскольку условия под шатром соответствуют существованию воды жидкой фазе, то все дальнейшие операции мало, чем отличаются от обычных строительных работ. Для ускорения высыхания желательно поднять температуру до 10 – 15ºС. При более высокой температуре и столь низком давлении вода начнет вскипать и потребуется поднимать давление выше. По мере высыхания уже можно более интенсивно подогревать отдельные участки строительных конструкций с помощью электрических фенов и калориферов.

Очень эффективным будет просушивание конструкций с помощью микроволнового излучения. На Земле так часто сушат деловую древесину. Поскольку микроволновое излучение опасно только для открытого человеческого тела, то человек в металлизированном скафандре будет защищен от этого излучения. Однако для большей безопасности переносные излучатели микроволн могут включаться в то время когда людей нет на стройплощадке, например ночью. Микроволновое излучение резонансно воздействует на молекулы воды и проникает в объем конструкции, разогревая её изнутри. Надо только точно рассчитать мощность излучения, чтобы вода не вскипала внутри.

Третий способ прогрева конструкции состоит в пропускании электрического тока. Влажные конструкции проводят электрический ток. Подобрав силу тока можно разогревать участок строительной конструкции. Для этого необходимо заранее заложить внутрь электроды. Так поступают на Земле при бетонных работах зимой. В бетон закладывают отрезки арматуры, потом подключают сварочный трансформатор с регулируемым током и ждут когда, несмотря на мороз, участок бетонной плиты или фундамента высохнет.

После завершения цикла работ, а именно когда высота сооружения достигнет потолка шатра, следует поднять шатер выше. Это можно сделать так. Края шатра теперь необходимо снаружи прикрепить к уже построенным стенам сооружения и загерметизировать шатер. Так можно поднимать высоту сооружения сколь угодно высоко.

Перекрытия можно сделать из каменных блоков, но изготовление таких блоком задача трудоемкая. И перекрыть цельными блоками можно ограниченную площадь. Либо необходимо ставить колонны. Скорее всего, на Марсе будут широко применяться арочные и купольные сооружения, что связано с проблемами создания перекрытий.

Однако и здесь возникают трудности. Внутри сооружения давление будет намного выше, чем снаружи. Избыточное давлении при нормальных условиях составит 1 кг/см2 или 100000 Н/м2. На Земле с такой силой давит на основание площадью 1 м2 бак с водой высотой в 10 м. Для более плотных материалов высота будет меньше. Для средней плотности 3000 кг/м3 высота каменного блока создающего такое давление на 1 м2 составит примерно 3 м. На Марсе все весит меньше и высота будет примерно вдвое больше. Иначе говоря, компенсировать давление воздуха внутри сооружения весом перекрытий будет не так просто. Давление воздуха может просто распереть сооружение изнутри. Где будет слабее там и порвется.

На Земле давление атмосферы внутри и снаружи сооружения одинаково и требуется компенсировать силу притяжения. Поэтому арочно-купольные сооружения строятся как раз в расчете на компенсацию притяжение Земли. Форма конструкции и форма камней такова, что  вышестоящие камни давят на ниже стоящие, скрепляя все сооружение, а ниже стоящие не позволяют вышестоящим камням падать, фиксируя их положение. Арочная конструкция земного типа представлена на рис. 1а.

При наличии избыточного внутреннего давления подобная конструкция будет эффективной, если только вес купола будет намного больше силы внутреннего давления. Физически осуществить это достаточно сложно. Например масса одного кубометра породы с плотностью 2700 кг/м3 будет на Марсе весить всего 10000 Н, тогда как внутренне давление составляет 100000 Н/м2, или в 10 раз больше. Понятно, что толщина купола не может быть 10 метров. Чем насыпать такой купол проще уж выкопать шахту.

Поэтому можно рассматривать вариант надувного купола. В надувном куполе сила давления воздуха поддерживает всю конструкцию. Однако реализация такой идеи наталкивается на определенные трудности. Купол должен работать на растяжение и иметь цельную конструкцию. Этому условию отвечает купол из пластика или металла. В таком куполе внутренние давление воздуха уравновешивается силами упругости иначе силами молекулярного притяжения материала купола. Основная опасность здесь связана с тем, что повреждение купола может привести к падению всей конструкции. Чтобы этого не произошло, купол должен иметь запас прочности и в отсутствии внутреннего давления конструкция должна быть устойчивой. Такие купола нужно привозить с Земли. Изготовлять их на Марсе на первых порах будет затруднительно.

Поэтому купольные сооружения, скорее всего, будут сооружаться для оранжерей и подсобных строений, где будет поддерживаться пониженное давление по сравнению с нормальным давлением. Если строить купол из блоков толщиной 1 м, то вес одного квадратного метра потолка составит 10000 Н. Предполагая, что внутренние давление составит 0.8 от веса купола получим 60 мм рт.ст., что отвечает минимальным требованиям для оранжереи. Учитывая наружное давления, можно поднять давление до 70 мм рт.ст. Поэтому если потребуется создать в оранжерее больше давление, придется утяжелить купол, увеличив толщину или используя более плотные материалы.

На Земле где требуется противостоять силе тяжести, купола строятся по иным принципам. Это как правило легкие ажурные сооружения из прочных стальных или алюминиевых труб или балок связанных в общую конструкцию. Уже поверх каркаса устанавливается, как правило, бетонное покрытие. На Марсе подобная технология не применима из-за отсутствия конструктивных материалов для изготовления каркаса. Если на Земле является проблемой большая масса покрытия каркаса и покрытие своим весом прижато к каркасу, то на Марсе наоборот потребуется связывать покрытие с каркасом, чтоб как говориться «крышу не снесло» внутренним давлением.

Таким образом, строительство из отдельных блоков большой толщины и собственного веса сборной конструкции рассчитанной на частичную компенсацию веса купола внутренним давлением, пожалуй единственный способ приемлемый для Марса. Однако внутреннее давление в таком куполе не может быть высоким.

При кладке купола из блоков частично разгруженных за счет взаимного перекрытия проблема внутреннего давления может быть решена. Пример марсианской архитектуры приведен на рис.10.

 

Рис. 10. Варианты купольного строительства.

а. Простой купол.

б. Купол в перекрышку.

в. Сложный купол типа «замок»

 

 

Простой купол мало пригоден на Марсе из-за сложности компенсации внутреннего давления. Необходима внешняя стяжка, например металлическая или каменная. В противном случае потребуется высокая насыпь. При использовании такого купола можно изнутри разместить надувную оболочку, которая и примет на себя избыточное давление. Здесь требуется только примерно подогнать размер купола под размер надутой оболочки. По крайне мере необходимо чтобы эта оболочка была несколько меньшего размера, чем сам купол. Тогда между куполом и оболочкой можно поддерживать относительно невысокое давление. Данная конструкция опасна тем, что повреждение оболочки, а она очевидно будет из пластика создает угрозу и ударной декомпрессии и разрушения внешнего перекрытия. Все может просто завалиться, если лопнет внутренняя оболочка. Поэтому такая конструкция наиболее пригодна для помещений с пониженным давлением, например для теплицы. Минимальное давление в теплице может составить всего 75 – 100 мм. рт.ст. этого достаточно для вегетации растений и давление на купол будет примерно в 8 раз меньше, чем при нормальном давлении. Здесь будет достаточно построить простой купол, герметизировать его изнутри  и засыпать его сверху грунтом. Причем может вполне хватить слоя грунта порядка 1-2 м, как раз для ослабления проникающей радиации.

На рис. 10б показан вариант так называемого купола в «перекрышку», который более пригодный для строительства на Марсе жилых помещений с высоким давлением. Отдельные прямоугольные каменные блоки складываются друг на друга со сдвигом, как костяшки домино, постепенно перекрывая подкупольное пространство. Здесь силы внутреннего давления стремятся, как приподнять блок (повернуть), так и сдвинуть его. Понятно, что силы трения между блоками и момент силы и вес блоков противостоят этому давлению. В результате компенсировать внутренне давлении можно при меньших затратах строительных материалов.

Вариант купола представленный на рис. 10в есть модификация простого купола, но блоки здесь имеют сложную форму. Благодаря вставкам ромбических блоков все блоки связаны между собой в соединение типа «замок». При такой конструкции силы между блоками распределяются так, что обеспечивается стабильность всей конструкции.

Очевидно, что самой простой является конструкция купола в перекрышку. Но для его возведения нужны примерно одинаковые каменные блоки большого размера.   

 

6. Оборудование и материалы завозимые с Земли

Примерный и не полный список оборудования и материалов, которое следует завозить на Марс для строительства колонии.

 

Установки разные:

Электросварочный аппарат.

Газосварочная установка.

Установка для сварки пластических материалов.

Установка для литья изделий из пластмасс.

Установки для волочения проводников.

Установка для прокатки и штамповки простейших изделий из металла

Установки для получения базальтовой ваты.

Установки для синтеза кислот, щелочей, растворителей,

Установка для получения кислорода из СО2.

Установки для очистки технической воды (при отсутствии чистого льда).

Установки для регенерации сорбентов.

Установка для электролиза воды.

Установка для плавки металлов.

 

Оборудование

Химико-технологическое оборудование.

Токарно-фрезерный и сверлильный станки.

Компрессоры и вентиляторы.

Светильники, и электрическая арматура.

Электрообогреватели.

Микроволновые излучатели.

Перфораторы, электродрели, болгарки, запасы сверил и дисков.

Набор кузнечного оборудования.

Оборудование для систем обогрева помещений.

Инструмент разный.

 

Начальные запасы

Запас конструктивных металлических элементов (уголки, швелера, трубы, арматура)

Несколько комплектов для сборки шлюзовых камер.

Несколько комплектов для систем СЖО.

Кабельно-проводниковые материалы.

Баллоны разные.

Шланги, вентили и прочая арматура.

Электрогенераторы, электромоторы.

Запас резины и резинотехнических изделий.

Запас взрывчатки и детонаторов.

Запас полиэтилена в гранулах.

Запас клеев, шпаклевок, красок.

Комплекты для изготовления палаток и шатров.

Крепежные и метизные изделия.

Запчасти разные.

Запас реактивов.

 

Источники энергии.

Реактор

Панели СБ

Изотопные генераторы и нагреватели

 

 

V. Тепло – вторая по важности проблема на Марсе

 

1. Проблемы с сохранением тепла

Если считать, что для человека первая важнейшая проблема - обеспечение кислородом. То во всех холодных странах и на Марсе тем более второй важной проблемой является – тепло. Как уже отмечалось выше ночью температура на Марсе опускается до -100ºС. Несмотря на низкое атмосферное давление столь низкие температуры создают большие проблемы. Действительно если внешняя поверхность сооружения остынет ночью до -100ºС, а внутри температура будет +20ºС, то в пределах толщины стены перепад температур составит 120ºС и сквозь стену будет происходить большие потери тепла. В наземном строительстве не приходится сталкиваться с такой разницей температур.

Потери тепла пропорциональны коэффициенту теплопроводности, площади с которой теряется тепло и разности температур. Самые эффективные теплоизоляторы – пористые материалы, поскольку теплоизолятором в них служит воздух, который заполняет поры. На Марсе видимо можно сделать еще более эффективными пористые материалы, поскольку давлении атмосферы там ниже, чем на Земле. О вспененных изделиях из алебастра уже упоминалось выше. Неплохим теплоизолятором должна быть и базальтовая вата. Можно рассчитывать и на естественные вспененные материалы типа пемзы. Если на Марсе наладят производство полимеров, то возможно изготовлении и вспененных пластических материалов типа пенопласта. Но среди всех теплоизолирующих материалов наименьшим коэффициентом теплопроводности обладает экранно-вакуумная изоляция - многослойный пластиковый материал, где поры пустые (вакуум) и слои пластика разделены тонкой отражающей тело пленкой. Такая изоляция уменьшает как потери за счет теплопроводности, так и потери на излучение. Но для начального этапа освоения Марса и экранно-вакуумную изоляцию и пенопласт можно привести только с Земли.

 

2. Утепление помещений

Существуют такие решения проблемы тепла:

1. Обогрев.

2. Эффективная теплоизоляция.

3. Минимизация площади и объема помещений.

Начнем с последнего условия. Чем больше помещение, тем больше его внешняя поверхность, тем больше потери тепла. Поэтому, закапывая помещение  в марсианский грунт, который имеет более высокую температуру, чем существует на поверхности, уменьшаем площадь той части, что имеет контакт с самыми низкими температурами, и соответственно мы уменьшаем потери. Но можно и путем рационального использования объема уменьшить внешнюю поверхность. Например, можно строить теплицу, где растения будут расти на многоярусных стеллажах или жилые помещения строить не  большой высоты.

Пусть для жилья у наших колонистов есть модуль типа того, что показан на рис. 2,3 или алюминиевая «бочка» с площадью поверхности 100 м2 и с площадью основания 30 м2. Рассмотрим изоляцию такого сооружения с помощью экранно-вакуумной изоляции и традиционного пенопласта. «Бочка» излучает тепловые лучи и отдает тепло через теплоизоляцию вследствие теплопередачи. Иными потерями (ветер) мы пренебрегаем. Упрощаем и некоторые другие моменты.

1. Экранно-вакуумная изоляция. При температуре под дном 0°С и средней ночной температуре в окружающем пространстве –80°С такая «бочка» будет излучать мощность почти 2000 вт. Покрытие этой «бочки» слоем экранно-вакуумной изоляции с числом слоев 14-16 снижает потери на излучение в четыре раза, что дает потери всего 500 вт.

Часть тепла будет потеряно из-за теплопередачи, но они не велики из-за низкого коэффициента теплопередачи и низкого внешнего давления. В целом потери на теплопередачу через экранно-вакуумную изоляцию будут мизерные. При толщине изоляции 5 см потери составят всего 20 вт. Это означает, что остается только потери на излучение порядка 500 вт. Учтем, что внутри такой «бочки» живут люди и работает оборудование, все это выделяет тепло, поэтому потребуется в общем незначительный дополнительный подогрев. Возможно порядка нескольких сот ватт, а возможно даже и охлаждение днем. В любом случае система терморегулирования СЖО справится с такой задачей, как подержание тепла в данном сооружении.

2. Пенопласт. Однако уже использование пенопласта и однослойной системы изолирования приводят к значительно большим потерям тепла. При толщине пенопласта 5 см потери составят 4.2 квт, а сюда следую добавить еще и потери на излучение. Не учтены потери через дно, но они не столь велики. Всего по грубой оценке получим свыше 6 квт, что означает - простыми средствами защититься от холода на Марсе сложно.

3. Местные материалы. Низкой теплопроводность обладает застывшая вулканическая лава. Поскольку она часто бывает пористая. Еще лучше использовать пемзу. Из лавовых блоков можно сложить стенки вокруг алюминиевого корпуса. Пусть толщина стенок будет 2 м, что вполне реально для кладки из бута или стенки типа насыпи. Тем более что кроме лавовых блоков и камней можно засыпать все сооружение песком или глиной. Теплопроводность от этого улучшится не намного. Оценка дает, что в таком варианте потери тепла за счет теплопередачи составят 2 квт. В данном случае не учтены потери через крышу, поскольку там насыпи нет. И не учтены потери на излучение, так как в столь толстой стенке ими можно пренебречь. Потери через крышу могут не превысить один киловатт. Таким образом, в данном случае для обогрева сооружения ночью потребуется общая мощность порядка трех киловатт.

4. Применение льда. Предположим, что марсиане не нашли лаву или пемзу зато рядом есть месторождение льда. И они решили утеплить свой дом ледяными блоками. При той же толщине в два метра получим потери в 4.5 квт без учета крыши.

Однако все эти расчеты являются приблизительными. Так как не учитывают, что днем взойдет солнце и нагреет наше сооружение. Поэтому процесс остывания идет по следующей схеме. Окружающее пространство остывает быстрее, чем сооружение, поэтому часть тепла запасенного в окружающей сооружение стенке пойдет на замедление падения температуры внутри. Если мы оценим сколько тепла надо отобрать у стенки при охлаждения от 0°С до -80°С, то получим большие цифры Q = 8×109 Дж. При этом за ночь (10 час) через стенку передается только 3×108 Дж. Это означает, что попросту тепла накопленного в стенке хватит для того чтобы не остыть полностью в своей массе до -80°С, а значит потери тепла сооружением будут меньше, чем указано выше. Но точно также не успеет стенка прогреться за короткий промежуток в середине дня. Поэтому в стенке установиться некий средний поток тепла и наши оценки будут не слишком далеки от реалий. Частично это уже учтено тем, что взята температура в - 80ºС, а не минимальная ночная температура. Можно было взять и -60ºС или среднюю температуру на Марсе, но в месте строительства базы не обязательно средняя температура будет такой как средняя по планете и для лучшего учета потерь следует взять несколько более низкую температуру.

Таким образом, оценки показывают, что если вокруг металлического корпуса насыпать вал или построить теплоизоляционную стенку, соорудить некую крышу, то на Марсе можно ночевать, несмотря на лютые холода, имея запас энергии для отопления порядка нескольких кватт. Кстати средний дом на Земле при не больших морозах и обычном утеплении требует порядка 5 квт тепла. На Марсе можно достичь того же расхода энергии, только с помощью эффективного утепления.

Частично энергию, обогревающую помещение выделяют работающие устройства и сами люди. Так один человек выделяет в виде тепла хорошо известное количество энергии - 3000 ккал/сутки или 160 ват. Шесть человек выделяют примерно 1 квт. Остальное тепло необходимо получить от общего источника энергии.

Все рассмотренные выше примеры касались расположения сооружения на поверхности Марса. Понятно, что построенное из местных материалов каменное строение типа тех, что приведены на рис.10 следует утеплять точно так же как и алюминиевую «бочку». На рисунке роль утепления выполняет грунтовая насыпь.

Сделать подобные оценки для сооружений полностью заглубленных под грунт не возможно без знания температуры в глубине Марса. Очевидно есть перепад температур зима-лето и нет перепада день-ночь, и несколько теплее, чем на поверхности. Но только несколько теплее. Подобно тому, как и на Земле в зоне вечной мерзлоты на глубине на нескольких метров температура ниже нуля. Поэтому все равно необходимо утепление и обогрев любых сооружений.

 

3. Оранжерея или теплица?

Теперь читателю должно быть понятно, что сооружения подобные приведенным на рис.1, или оранжерея из прозрачных пластиковых материалов (рис.2) вообще говоря, мало пригодны для марсианских условий.

Сделаем оценки. Пусть обеспечений нескольких человек продуктами растениеводства требуется примерно 50 м2 площади. Площадь грядок (5х10 м) не означает, что и оранжерея должна быть столь же огромной. С учетом высоты хотя бы 1.7 м получим объем 85 м3. Путем сооружения стеллажей оранжерея может быть размещена в меньшем объеме. При ширине стеллажа 1.1 м и длине 8 м достаточно 6 стеллажей. Располагая эти стеллажи в два ряда с проходом между ними, по три полки друг над другом, получим объем оранжереи не больше 44 м3. Для экономии объема можно уменьшить расстояние между полками, но это создаст трудности при обработке грядок. Для минимизации объема следует сделать выдвижные лотки для растений. Вся эта арматура должна быть изготовлена заранее на Земле и доставлена на Марс в разобранном виде. Таким образом минимальная оранжерея с площадью посадок 50 м2 может иметь примерные размеры 3х8 и высоту 1.7 м. С высотой полок 0.5 м. площадь внешней поверхности зависит от формы. Но необходимо учитывать и эффективность солнечного обогрева. Поэтому при строительстве должны быть учтены и размеры, и форма, и даже ориентация относительно сторон света.

Оценим конструкцию типа той, что изображена на рис. 2. Форма – параллелепипед. При размерах принятых выше площадь внешней поверхности может составить 60 м2 (без учета пола).  

Для оранжереи сделанной из многослойной полиэтиленовой пленки даже с пупырышками в нутрии потери тепла будут очень большие. Поэтому такую оранжерею придется утеплять на ночь или постоянно подогревать. Для определенности пусть оранжерея сделана из прозрачного материла с теплопроводностью эквивалентной теплопроводности войлока толщиной 1 см. Простые оценки показывают, что для обогрева оранжереи в течение ночи потребуется порядка 10 кват электроэнергии. При таких расходах энергии еще можно утеплить и обогреть оранжерею на 4 - 6 человек, но для колонии нужны большие площади для выращивания растений и расход энергии на обогрев может стать главной проблемой колонистов.

Если будут созданы материалы прозрачные и имеющие столь же низкую теплопроводность как экранно-вакуумная изоляция, то тогда вполне возможно строительство оранжерейных сооружений. Но и здесь есть проблемы. Как показано выше наибольшие потери при использовании экранно-вакуумной изоляции происходят за счет излучения. Для экранировки теплового излучения нужны теплоотражающие материалы. Получается замкнутый круг. Чем прозрачнее материал, тем хуже теплоизоляция. Есть материалы, неодинаково отражающие прямые и обратные лучи, но будут ли они эффективными для создания оранжерей? Пока не известно.

Однако можно уменьшить потери тепла выбором правильной конструкции оранжереи. Действительно стенки, которые не освещаются Солнцем можно сделать из толстого непрозрачного материла с низкой теплопроводностью. Так же как и на Земле, Солнце на Марсе обходит небесный полукруг. При ориентации оранжереи продольной стороной вдоль направления запад-восток северная стена никогда не будет освещается Солнцем, а западные и восточные стены освещаются только по утрам или вечерам. Если в минимальном варианте сделать прозрачной только южную сторону и крышу, то площадь прозрачной поверхности сократиться практически вдвое. Грубо это позволит уменьшить расход тепла на ночной обогрев на 30 - 40%. Эти рассуждения относятся к оранжерее, которая расположена севернее экватора.

Еще эффективнее будет строительство оранжереи, где все боковые стенки сделаны из не прозрачных материалов с низкой теплопроводностью, а прозрачной является только крыша. Развитие этого проекта представлено на рис.11, 12.

 

Рис. 11. Утро. Оранжерея закрыта крышками.

Рис. 12. Около полудня. Крышки открыты.

 

 

Сделаем крышу над теплицей состоящую их двух частей. Нижняя часть герметичная и прозрачная, а верхняя теплоизолирующая и подъемная. Тогда на ночь верхняя часть крыши опускается и сохраняет тепло, а днем её поднимают, чтобы лучи солнца попадали в теплицу. Крыша стоит из сегментов, которые можно поднять в обе стороны подобно тому, как поднимается разводной мост, подобно тому, как открывается картонная коробка, но при этом угол поворота зависит от времени суток. Так в первой половине дня южная половина крыши откидывается на 180° чтобы не мешать лучам солнца падать на крышу теплицы, а северная половина поднимается под таким углом чтобы отражать солнечные лучи во внутрь теплицы. Так эффективная поверхность, от которой отражается свет и тепло возрастает на половину, и солнечные лучи уже с раннего утра и до позднего вечера могут освещать каждый уголок теплицы. Понятно, что по мере подъема солнца угол отклонения полукрыши меняется, а вблизи полудня она тоже откидывается на 180°. После полудня уже поднимается южная половина крыши  и теперь она отражает свет в теплицу. Когда солнце опускает низко, обе половинки закрываются на ночь. Внутренняя сторона верхней крыши должна быть покрыта хорошо отражающим свет покрытием. Кстати это покрытие ослабит потери тепла на излучение, так  как ночью будет отражать тепло обратно в теплицу. Следует заметить, что на Марсе яркость солнца мало зависит от высоты Солнца из-за более тонкой атмосферы. Поэтому можно использовать тепло практически от восхода до заката. Однако наиболее эффективна такая конструкция  будет в близи экватора. Но видимо там и будут строиться первые колонии. В отличие от предыдущего случая здесь ориентация оранжереи уже такая, что широкая сторона «смотрит» на восток-запад.

С учетом сказанного можно сделать вывод, что перед колонистами станет не простая проблема. Строить вместительные и с хорошей теплоизоляцией теплицы с искусственным освещением (рис. 10) или завозить с Земли экзотические пока материалы для создания оранжерей на поверхности Марса. Поэтому вопрос, теплица или оранжерея, пока остается открытым.

 

4. Обогрев на Марсе

Кратко об источниках тепла.

Во-первых, таким источником является Солнце. Энергию Солнца можно превращать в электроэнергию днем и накапливать в аккумуляторах. Здесь возможно применение и электрохимических аккумуляторов и аккумуляторов тепла. В качестве аккумулятора тепла может служить емкость с водой. Днем вода нагревается, как непосредственно от Солнца, так и с помощью электроэнергии которую вырабатывают СБ.

Сделаем оценки. При средней мощности потерь тепла в 500 ватт за 18 часов будет потеряно 32·106 Дж или 7.7·103 ккал. В одном литре воды нагретой от 0ºС до 20°С содержится 20 ккал. Таким образом, мы получаем, что для обогрева оранжереи достаточно запасти тепло в 385 литрах воды. Если днем нагреть эту воду до +25°С, а потом постепенно отбирая тепло охладить до +5°С, то этого тепла хватит для обогрева оранжереи или помещения в течение всей ночи. Очевидно, что с учетом потерь тепла в аккумуляторе и системе обогрева реально потребуется вдвое больше запасти теплой воды или нагреть её для боле высокой температуры. На Земле не удается нагреть воду от солнца выше 40º-60ºС. Интенсивность солнечного излучения на Марсе вдвое меньше чем на Земле. Поэтому вряд ли можно нагреть воду выше 20º-25ºС без применения специальных концентраторов света, а учитывая большие потери из-за холодной окружающей среды нагрев будет еще ниже. Для оценки выбрана температура в 25ºС, но воды скорее всего придется нагреть не менее 1 м3.

На всякий случай в воду надо добавить антифриз, чтобы она случайно не замерзала ночью. Скорее всего, еще потребуются дополнительное устройство для отбора тепла или тепловой насос.

Во-вторых, источником тепла могут служить ядерные источники, как изотопные, использующие вторичный теплообменный контур, так и ядерный реактор, вырабатывающий электроэнергию  для обогрева жилых помещений.

В третьих, для полноты картины следует упомянуть и получение тепла при химических реакциях. Например, горения (окисления). Если у колонистов будет избыток топлива и окислителя, то возможен обогрев и при сжигании топлива.

В четвертых, как проект отдаленного будущего можно рассмотреть возможность получения тепла из недр Марса, но это пока очень сомнительно в техническом плане.

 

 

 

VI. Детали интерьера и бытовые предметы

1. Внутреннее оборудование

Не малые проблемы создаст изготовление герметичных дверей или люков, которые будут разделять отсеки и шлюзовые камеры. Пока можно предположить, что на первых порах будут использовать не нужные элементы конструкции посадочных модулей. Конечно шлюзы и люки самих модулей со всей арматурой для наддува и откачки воздуха. Некоторые элементы конструкций можно будет изготовить из других деталей посадочных модулей. Детали конструкции, не нужные топливные баки, изготовленные из алюминия, могут быть разрезаны на части, которые путем сварки будут соединены в необходимые элементы конструкции.

Для сварки алюминия нужна газовая сварка. Скорее всего, здесь можно применить газовые горелки, работающие на смеси кислорода и метана. Низкое давление и углекислотная атмосфера должны способствовать такого рода операциям. Тогда как на Земле при таких работах требуется создание нейтральной атмосферы из аргона. Некоторые шлюзы в помещениях с небольшой разницей давлений можно сделать из полимерных материалов. Но такие заготовки должны быть завезены с Земли. Более вероятно, что столь сложное и важное оборудование как двери шлюзов будут все же завозить с Земли. Для изготовления применят легкие и сверхпрочные материалы на основе полимеров с наполнителями.

Как мы видим с производством стройматериалов на Марсе больших проблем может и не быть. Большие проблемы создаст производство вспомогательного оборудования для внутренних помещений. На Земле на протяжении тысячелетий кроме камня главным строительным материалом было дерево. На Марсе такого материала, к сожалению нет. Поэтому на Марсе сразу каменный век должен сочетаться с веком металла и веком пластмасс. В отдаленном будущем предметами высокой роскоши на Марсе могут стать изделия из дерева. Например, простой деревянный стул или стол, привезенный с Земли. Хотя к тому времени могут появиться деревянные предметы обихода и изделия из дерева, которые вырастят в марсианских оранжереях. В первую очередь мебель, плетенная из веток.

Другая проблема - изготовление и монтаж в марсианских помещениях систем жизнеобеспечения, отопления, освещения. Простой светильник требует двух проводов, выключателей и собственно источника света с арматурой для монтажа источника света. Все это надо привозить с Земли. Хотя на Марсе возможно применение экзотических источников света. Например, газовых горелок или основанных на каталитическом горении. От специального устройства содержащего два баллона, один с метаном (водородом), а другой с кислородом, с помощью пластиковых трубок подается газ в горелку с катализатором, для повышения яркости. Образующийся СО2, или Н2О, улавливается и усваивается системой жизнеобеспечения. Такой светильник не требует проводов, его можно использовать и вне помещения, зато он будет требовать регулярной заправки. Снаружи можно сжигать и вредные для человека газы, такие как СО, который будет гореть в соединении с кислородом. Окись углерода может в избытке получаться при некоторых методиках извлечения кислорода из углекислого газа и в дальнейшем использоваться в качестве топлива.

Подача воды в жилые помещения требует труб, кранов, системы насосов и очистных сооружений. Поэтому в марсианских колониях могут вернутся к дедовским системам водоснабжения и канализации. Но поскольку человеческие экскременты могут служить источником органических веществ, то выбрасывать их не будут. Видимо фекалин и мочу будут собирать отдельно, а потом пускать на переработку для производства удобрений.

Для подержания в помещениях необходимых для пребывания там людей условий потребуется сложные системы жизнеобеспечения (СЖО). Воздух должен быть обогащен в необходимой пропорции кислородом и не должен содержать СО2. Такие системы СЖО предназначены на определенный объем помещений, конечно, будут завозить с Земли. Хотя со временем возможно и изготовление таких устройств и на Марсе. Особенно если будет налажено производство кислорода и веществ, эффективно поглощающих углекислый газ. Для работы СЖО требуется принудительная прокачка воздуха через поглотители углекислоты. Соответственно нужны системы вентиляторов. Вентиляторы и ремкомплекты к ним придется завозить с Земли. 

Одним из методов подержания необходимого газового состава марсианских колоний, безусловно, станет биологический метод. С включением растений (оранжерея) или водорослей (хлорелла) в биоцикл по очистке воздуха.

В любом случае на Марсе потребуется получение металлов. Видимо первое, что наладят так это производство проводников. Выплавка некоторых металлов в электропечах не составит больших проблем. Тем более, что на Марсе возможно сохранились и месторождения самородочных металлов, в частности меди. Очевидно, можно получать железо и алюминий. Хотя классический способ получения алюминия требует больших энергозатрат. С другой стороны потребность колонии в некоторых металлах не столь велика и может составить нескольких десятков до сотен килограмм в год. Для получения металлов в ограниченных количествах возможно будут разработаны более эффективные технологии опирающиеся на местные ресурсы.

Большие трудности может составить очистка металлов от примесей, поскольку неконтролируемые примеси создадут проблемы с прочностью металла. Но производство изделий из металлов кроме самых простых кузнечных технологий потребует доставки на Марс специального оборудования. Например, волочильных машин для производства проводов.

Дефицит таких изолирующих материалов как пластмасса, резина, хлопок или шелк может привести к тому, что в помещениях марсианских колоний будут применяться уже давно забытые способы наружной проводки. Когда на стене крепятся изоляторы из фарфора или стекла, а по ним проводятся провода. Только на Марсе придется тянуть по стенке два голых проводника рядом. Так делали и на Земле еще на заре электрификации. Применение оголенных проводников потребует применения пониженного напряжения. Поэтому стандартом на Марсе может стать 12, 24 или 48 В постоянного тока. С другой стороны низкое напряжение потребует толстых проводников. Изготовить толстые медные или алюминиевые провода волочением или даже прокаткой несколько легче, чем тонкие. Соединять провода, скорее всего, будут сваркой или пайкой. Так как любой крепеж (винты, гайки, шурупы) на Марсе будет большим дефицитом. Некоторые изоляторы будут изготовлять из пластмассовых отходов.

Примерно также придется прокладывать линии электропередач на поверхности Марса. Например, на каменных столбах, но не таких высоких, как на Земле, коровы на Марсе не гуляют, но необходимо, чтобы человек мог перешагнуть или пролезть, а песок не засыпал провода, так как грунт может содержать проводящие примеси. Скорее, это будут столбики высотой в полметра – полтора метра, сделанные или сложенные из камней, на них укрепят изоляторы из стекла или базальта, а по ним уже натянут два или более голых проводов. Изоляторы нужны, для надежного крепления, чтобы ветер не порвал или не замкнул провода. При пересечении дорог столбы возведут повыше.

 

2. Мебель

Изготовлять мебель на Марсе возможно только из камня из металла или пластмасс. Вполне реально изготовление каменной мебели. Можно предположить, что для этого будет использоваться пористые туфы и пемзы. Из цельного куска туфа будут вырезать кресла, кровати-лежанки, диваны, столы. Диваны и лежанки будут застилать привезенными с Земли покрывалами или матрасами с пористым наполнителем. Благодаря низкой силе тяжести передвигать такую мебель будет марсианам вполне под силу.

Мебель из пластмассы можно будет делать, когда наладят химическое производство. Однако изготовление отдельных бытовых предметов из пластмассы возможно и без этого. Например, можно некоторые предметы бытового обихода изготовлять путем переработки пластмассы из отходов разных упаковок, в первую очередь пищевой упаковки. Со временем получаемые в оранжерее органические материалы в виде веток, стеблей, соломы и т.п. могут быть использованы для изготовления простой мебели плетеного типа.

 

3. Бытовые предметы

 

В первую очередь посуда из керамики (глиняная, фарфоровая) будет изготовляться на Марсе. Здесь нет больших технических проблем. Достаточно иметь муфельную печь. Столовые приборы (ножи, ложки, вилки) можно как в старину ковать из железа, отливать из сплавов, штамповать из алюминия. Если будет налажено производство пластмасс, то – штамповать из пластмассы.

 

 

V. Заключение

 

Как видно из приведенного материала принципиальных трудностей со строительством даже капитальных сооружений на Марсе не предвидится. Стройматериалов достаточно, ресурсы есть. Требуется заброска технического оборудования, источников энергии. Конечно, заняться строительством первые колонисты смогут тогда, когда наладят хотя бы элементарные условия жизни во временно привезенных сооружениях и их численность будет порядка 10 человек. Раньше должна быть проведена разведка поверхности, выбрано оптимальное место для колонии и налажено снабжение с Земли. 

По мере строительства сооружений численность людей будет увеличиваться. Можно предположить, что первые колонисты не будут навсегда селиться на Марсе. Скорее всего, это будут колонии, где люди будут жить долго, создадут семьи, но по прошествии нескольких лет все же вернуться обратно на Землю. Главная причина – тяготы марсианской жизни, ограниченность общения, высокие уровни радиации на поверхности планеты.

После строительства первого крупного поселения, начнется разработка месторождений и строительство разного рода инфраструктуры. Если к тому времени будет обеспечены безопасные и недорогие перелеты с Земли на Марс, то можно ожидать, что одной из статей дохода для марсианской колонии станет туризм.  Но такого уровня освоения Марса следует ожидать не раньше, чем к концу этого столетия.

 

 

Marsmet, январь, 2008 г.

Hosted by uCoz