Если мы собираемся колонизировать Луну и Марс, нам придётся научиться использовать местные ресурсы этих тел для обеспечения поселений, параллельно обеспечивая рост самих колоний. Всё время доставлять ресурсы с Земли – чрезвычайно дорого. А если цикл использования ресурсов ещё и не будет замкнутым – то это ещё и не эффективно. Предлагаю свою схему на примере Луны (для Марса тоже подойдёт), как не только обеспечить колонию ресурсами, но и гарантировать её рост вплоть до образования на поверхности спутника Земли самодостаточного поселения. В три этапа.
Этап первый – создание первичной инфраструктуры
На первом этапе, безусловно, всё необходимое придётся везти с собой с Земли для создания самых первых герметичных отсеков, жилых модулей, фильтров, источников электропитания, систем аэропоники и отсеков переработки местных ресурсов. Системы для электролиза воды, системы для проведения реакции Сабатье (получение метана из углекислого газа и водорода) и системы для восстановления оксидов металлов с помощью метана. Для всего этого понадобится много энергии. И хотя на полюсах Луны есть пики вечного света (области, которые всегда освещаются Солнцем), их скорее всего будет недостаточно для обеспечения энергией всего необходимого. Поэтому одними солнечными батареями вряд ли удастся обеспечить потребности начальной колонии. Необходимо сразу рассматривать ядерные источники электропитания. Они не зависят от Солнца и даже за долгую двухнедельную лунную ночь смогут обеспечить колонию бесперебойным электропитанием. Поскольку с Земли мы должны брать минимум всего, необходимо выбрать местность, где будет доступна вода, хотя бы в виде льда, чтобы её можно было путём электролиза разложить на водород и кислород, которым можно заполнить герметичный отсек. Азот конечно нужен растениям, но его можно для них привезти в виде минеральных удобрений. Для заполнения атмосферы внутренних отсеков можно обойтись чистым кислородом под сниженным давлением. Такой атмосферой человек дышать может, и она использовалась астронавтами в программе «Аполлон». Разница состава атмосфер советской космической станции, на которой использовалась обычная азотно-кислородная атмосфера и американской, где был чистый кислород под сниженным давлением, в своё время была проблемой при стыковке «Союза» и «Аполлона-4». Но сейчас не об этом. Важно то, что для заполнения атмосферы внутри блоков азот не обязателен. Защиту от радиации под герметичными отсеками обеспечивает сама Луна, а сверху отсеки можно покрыть слоем реголита.
Этап второй – создание замкнутого цикла жизнеобеспечения и использование ресурсов самой Луны (или Марса)
В процессе дыхания внутри герметичных блоков со временем будет накапливаться углекислый газ, который необходимо извлекать из атмосферы. И вот тут то нам пригодится водород, который мы получили при электролизе воды вместе с кислородом. Необходимо провести реакцию Сабатье, при которой водород взаимодействуя с углекислым газом образует метан и воду, которая будет частично возобновлена. Схематически реакция выглядит так: СО2 + 4Н2 => СН4 + 2Н2О. ∆H = −165.0 кДж/моль. Обычно метан предлагают выбрасывать в открытый космос, но это неэффективная трата углерода и водорода. Можно конечно его использовать в качестве топлива, но и это будет лишь тратой ресурсов. Намного эффективнее будет его использовать для восстановления оксидов металлов, которых полно в составе реголита. Лунный реголит в основном состоит из ильменита (FeTiO3), оливина ((Mg, Fe)2[SiO4]), алюмосиликата кальция (Ca[Al2Si2O8]) и пироксена (R2Si2O6, где R – Na, Ca). Как видим, в составе реголита есть и кислород, и кремний, и металлы. И всех их можно восстановить при помощи метана. Как это делается на примере Cr2FeO4 можно прочесть здесь. Но для наглядности рассмотрим реакцию восстановления метаном чего ни-будь попроще, например оксида железа или FeO. FeO + CH4 => Fe + CO2 + H2O. Таким образом мы получили чистый металл, из которого можно построить новый отсек колонии, воду, которую путём электролиза можно разложить на водород и кислород, которым заполняем новый отсек, а водород сразу можно пустить на реакцию с углекислым газом с получением опять же воды и метана, который можно вновь использовать для добычи чистых металлов, из которых строим новые отсеки; и кислорода, которым эти отсеки заполняем. В итоге цикл становится замкнутым. Параллельно вместе с металлами можно получить кремний, из которого можно в будущем делать солнечные батареи. И колония при этом будет расти чисто за счёт ресурсов самой Луны или Марса. Пока не дойдём до третьего этапа.
Третий этап – прекращение роста колонии. Обеспечение круговорота химических элементов с помощью систем аэропоники.
На третьем этапе системы аэропоники потребляют достаточно углекислого газа для того, чтоб он не накапливался в атмосфере. На этом этапе достройку дополнительных отсеков можно прекратить. Системы аэропоники уже способны самостоятельно обеспечивать колонистов едой и восстанавливать состав атмосферы, пригодный для дыхания. Но почему именно аэропоника? Дело в том, что реголит Луны и Марса по составу далёк от земной почвы, и необходимые микроэлементы, да и макроэлементы тоже придётся доставлять растениям иным путём, нежели на Земле. А 2 других варианта – это либо гидропоника, которая не подходит в условиях дефицита воды, либо аэропоника, которая сэкономит ещё и воду. На этом этапе прекращается необходимость использовать электролиз для разложения воды на кислород и водород, больше не нужно проводить реакцию Сабатье и не нужно использовать метан для восстановления оксидов металлов. На этом этапе внутренняя биосфера герметичных колоний становится самодостаточна и самоподдерживающаяся. Всё что, для неё нужно – это энергия.
Приблизительно так можно будет освоить как Луну, так и Марс. И возможность использовать местные ресурсы – это главный аргумент о том, чем идея Маска с колонизацией Марса лучше идеи Безоса с созданием автономных космических станций, для которых все ресурсы придётся везти с Земли и которые не будут способны расти за счёт элементов окружающей среды.