Ссылка на статью: https://arxiv.org/abs/1707.00365
После того, как проблемы с двигательными установками, способными быстро преодолевать большие расстояния, не подвергаясь значительному радиационному ущербу, будут преодолены, спутник Сатурна Титан станет оптимальным местом в Солнечной системе для поселения за пределами Земли. Он имеет густую атмосферу, которая обеспечивает защиту от разрушительного излучения, в отличие от любого другого места на твердых телах во внешней Солнечной системе. Учитывая удалённость от Земли (~ 1,3 × 109 км), такое поселение должно быть автономным, и, в частности, людям потребуется производить кислород для дыхания и обогрева среды обитания. Обилие углеводородов и доступность энергии на основе ветра и гидроэнергии увеличивают вероятность такой автономности. Здесь обсуждаются варианты энергопотребления, связанные с In situ Resource Utilization (ISRU) – использование найденных ресурсов на месте. Эта статья представляет собой упражнение, позволяющее впервые взглянуть на энергетические опции, не вдаваясь в утомительные подробности по каждой из них (в то время, как вопросы о конкретных условиях Титана всё ещё существуют), чтобы предоставить читателям оценки энергетических возможностей для будущего изучения. Очевидно, что в ближайшие десятилетия потребуется проработать многие детали, например, такие как масса оборудования, необходимого для доставки на Титан для любой из этих систем.
Ядерные источники энергии
Ядерный источник энергии, доставленный на Титан с Земли, прослужил бы несколько десятилетий, например, период полураспада у 238Pu составляет 88 лет. После этого радиоактивный материал может быть извлечен из силикатных пород, около 50% массы Титана составляют силикаты. Радиогенный аргон (Ar) в атмосфере Титана, вероятно, являющийся продуктом распада 40K в недрах, был обнаружен с помощью газового хроматомасс-спектрометры (GCMS) Гюйгенса и ионного и нейтрального масс-спектрометра (INMS) Кассини. Такие материалы, вероятно, будут находиться глубоко внутри под сотнями километров льда и воды, и, следовательно, их извлечение потребует значительных усилий и энергии, которые не оцениваются в этой статье, но расматриваются как возможность.
Химические источники энергии
Вещества в атмосфере Титана, а также на поверхности и под поверхностью могут быть использованы для производства химической энергии. Азот составляет ~95% атмосферы. Обилие метана (CH4) увеличивается с уменьшением высоты ниже тропопаузы на 32 км, достигая концентрации в ~4,9% между 8 км и поверхностью. Это небольшое количество метана ответсвенно за удержание азота в газовой фазе. Большая часть азота в стратосфере и тропосфере конденсировалась бы без метана. Также присутствуют следы других углеводородов, таких как этан (C2H6), диацетилен (C4H2), метилацетилен (CH3C2H), ацетилен (C2H2) и пропан (C3H8), и газов, например, цианоацетилен (HC3N), цианистый водород (HCN), двуокись углерода (CO2), монооксид углерода (CO), цианоген (C2N2), аргон и гелий. H2 присутствует в больших количествах. Сложная химия N2/CH4, включающая фотоны и высокоэнергетические электроны в атмосфере, приводит к образованию дымки из органических частиц, которые действуют как ядра конденсации и в конечном итоге оседают на поверхность в виде отложений (“толины”). Дюнные поля Титана, вероятно, состоят из органики, которая возникла в атмосфере. Периодически выпадают осадки метана/этана, а жидкие углеводороды заполняют полярные озера и моря. Водяной лед доступен в изобилии и составляет основную часть внутренней части Титана. Все эти вещества представляют собой потенциальные ресурсы.
Существует несколько вариантов получения энергии химическими путями на Титане. Сжигание только углеводородов (например, реакции 3, 4 в таблице 1) на Титане неэффективно, поскольку для электролиза, необходимого для получения O2 (реакция 5), требуется больше энергии. На практике ядерный источник может быть использован для запуска электролизной установки, в то время как химическая энергия будет производиться отдельно посредством сжигания. В качестве альтернативы, гидрирование ацетилена (реакция 1) является жизнеспособным экзотермическим вариантом в условиях Титана, производящим 376 кДж/моль энергии. Как ацетилен, так и Н2 могут быть извлечены из атмосферы; с другой стороны, пиролиз СН4 (реакция 7) может быть выполнен с получением C2H2 (хотя пиролиз потребует затрат энергии). [На Марсе источники H2 включают восстановление ионами железа H2O до H2 во время серпентинизации и фотохимическую диссоциацию H2O в атмосфере.] Альтернативой (или дополнительным вариантом) получения O2 для сжигания/дыхания было бы использование теплицы, полной растений/водорослей, для производства O2, но для этого потребуется энергия для работы и обогрева теплицы. Ожидается, что учитывая низкую эффективность фотосинтеза, генетически модифицированные растения/водоросли станут привлекательным вариантом для будущих жителей Титана, но это тема другой статьи.
Также существует возможность использования азота, изобилующего в атмосфере. Например, гидрирование азота (реакция 10 таблицы 1) является экзотермической реакцией, производящей ~92 кДж/моль энергии
| Номер реакции | Реакция/фазовый переход | Энергия (кДж/моль) |
| 1 | C2H2 + 3H2 → 2CH4 (гидрирование ацетилена) |
376.3 (экзотермическая) |
| 2 | CO2 + 4H2 → CH4+2H2O(г) (метаногенез) |
164.9 (экзотермическая) |
| 3 | CH4+2O2 → CO2+2H2O(г) (горение метана) |
802.3 |
| 4 | 2C2H6+7O2 → 4CO2+6H2O (горение этана) |
2857.2 |
| 5 | 4H2O → 4H2+2O2 электролиз H2O |
967.2 (241.8 x 4) |
| 6 | 2CO2 → 2CO+O2 (3000°C) | (эндотермическая) |
| 7 | 2CH4 → C2H2+3H2 (пиролиз ~1000°C) |
(эндотермическая) |
| 8 | Сублимация водяного льда | 54 |
| 9 | H2O (т) → H2O(ж) (плавление водяного льда) |
6.01 |
| 10 | N2 + 3H2 → 2NH3 (гидрирование азота) |
92.4 (экзотермическая) |
Гидроэнергия
Многочисленные озёра и моря из метана и этана на Титане можно использовать для производства гидроэлектроэнергии. По сути, это самоподдерживающийся процесс, поскольку предполагается, что озера будут подпитываться во время дождя. Основываясь на доступной в настоящее время топографической информации, создание такой системы может быть значительным инженерным подвигом, учитывая, что полярные регионы, где находятся озера и моря Титана, находятся топографически ниже, чем более низкие широты.
Количество энергии, вырабатываемой системой, определяется следующим выражением:
P=ηρQgh,
где η – КПД турбины, ρ – плотность жидкости, Q – объёмный расход, g – ускорение свободного падения, h – разность высот.
В качестве примера возьмём η = 0.85, ρ = 660 кг/м3 и h = 145 м. Для объемного расхода Q стандартное значение, используемое для воды на Земле, составляет 80 м3/с. Учитывая расчётную вязкость жидкости в озёрах Титана (диапазон вязкости на Титане от 0.003 до 0.03 см2/с по сравнению с диапазоном вязкости H2O на Земле 0.0084 – 0.0184 см2/с), объёмный расход на Титане оценивается от 40 до 160 м3/с. Ускорение свободного падения на Титане составляет 14% от силы тяжести Земли, или 1.37 м/с2. Такая метаноэнергетическая система будет вырабатывать около 9 МВт мощности (таблица 2). Для сравнения, для аналогичной системы на Земле, работающей на воде, выработка электроэнергии составила бы 97 МВт.
Оценивая глубину самого большого моря Титана, море Кракена, от 500 до 1000 м, длину в 1100 км и среднюю ширину в 500 км, его объём оценивается в 2,75-5,5×1014 м3. Это приводит к примерно 3,1-6,1×1019 Дж энергии, получаемой при сбрасывании всего содержимого моря на высоту 145 м. Такая система могла бы обеспечить электроэнергию (ограниченную объёмом моря) в течение 53900 – 431250 земных лет (1840 – 14740 лет на Титане). Для сравнения, озеро Верхнее (Северная Америка), объём которого меньше, чем у Кракена (8,7 ×1012 м3), будет производить ~1 ×1019 Дж энергии для аналогичной системы в течение 3450 лет. На Титане, если будущие топографические данные с более высоким разрешением покажут, что нет мест, где существуют естественные понижения рельефа и жидкость вытекает из озера вниз по склону, то такая система может потребовать серьёзных инженерных работ, которые выходят за рамки этого отчёта, чтобы полностью их детализировать. По нашим оценкам, потребуется “прорезать” край озера/моря, чтобы создать искусственное понижение рельефа, а затем “прорезать” ландшафт вдали от озера/моря, чтобы жидкость могла стекать по каналу или трубопроводу. Без лучшего знания топографии Титана мы не пытаемся в этом отчёте оценить точное местоположение для такого проекта. Необходима дополнительная информация о топографической структуре поверхности Титана, чтобы спланировать, где такая система может быть установлена в будущем.
| Название параметра | Титан | Земля |
| Вязкость, см2/с | 0.003 – 0.03 | 0.0084 – 0.0184 |
| Плотность, кг/м3 | 660 | 1000 |
| Сила тяжести, м/с2 | 1.37 | 9.81 |
| Объёмный расход, м3/с | 40-160 | 80 |
| Мощность | 4.5 – 18 | 97 |
| Длительность, земных лет | 53.900 – 431.250 (1840-14.740 Титановых лет) | 3450 |
| Объём, м3 | 2.75 – 5.5×1014 (Море Кракена) | 8.7×1012 (озеро Верхнее (Северная Америка)) |
| Количество выработанной энергии, Дж | 3.1 – 6.1×1019 | 1 ×1019 |
Ветроэнергия
Скорость ветра у поверхности Титана минимальна. Инструменты Кассини в основном наблюдали отсутствие ветровых волн на озерах и морях, хотя волнение на море Пунги было интерпретировано как потенциально связанное с ветром ~ 0.76 м/с. Однако дюны присутствуют на средних широтах, что указывает на наличие некоторого уровня ветра, по крайней мере, в недавнюю эпоху. В настоящее время скорость наземного ветра оценивается в 0.5 – 1 м/с. Мощность, вырабатываемая ветряными турбинами, определяется как:
P = 0.5ηAρv3,
где η – коэффициент полезного действия (который учитывает прерывистый ветер), A – площадь лопасти, v – скорость ветра, ρ – плотность воздуха. На Титане плотность воздуха примерно в 5 раз больше, чем на Земле, но скорость ветра значительно ниже. Допустим, что ρ = 5 кг/м3, η = 0.2 и v = 0.5 – 1 м/с. Принимая диаметр ротора турбины 40 – 90 м, можно оценить выработку ветровой энергии в диапазоне 79 – 3200 кВт. (На Земле при скорости ветра ~ 20 м/с ветряные машины того же размера будут производить 1 – 5 МВт энергии.) Более высокую скорость ветра можно найти на большей высоте: около 2 м/с на высоте в 3 км и около 20 м/с на 40 км. Привязанные воздушные шары и дирижабли на большой высоте и ветряные мельницы на малой могли бы генерировать энергию порядка сотен МВт.
Солнечная энергия
Солнечный свет является источником бесплатной и устойчивой энергии, хотя количество солнечного света, поступающего на поверхность Титана, невелико. Количество солнечного излучения, достигающего Титана, из-за расстояния до Солнца в 9 – 10 а.е. составляет около 0.81 – 1% от солнечного света, достигающего Земли. В верхней части атмосферы Земли среднее количество солнечной энергии составляет 1400 Дж/м2с. В верхней части атмосферы Титана это значение составляет 14 – 17 Дж/м2с. Пропускная способность атмосферы Титана зависит от длины волны: красный и ближний инфракрасный свет проходят (за вычетом поглощения метана), тогда как синий свет поглощается, поэтому мы предполагаем, что около 10% солнечного потока достигает поверхности Титана. По оценкам, спектр пропускания Титана лучше всего соответствует фотоэлектрическому материалу из аморфного кремния или, возможно, теллурида кадмия (CdTe). Эффективность этого материала находится в диапазоне 13 – 20%, но его характеристики при температурах Титана неизвестны. Чтобы быть консервативными в этом начальном упрощённом анализе, мы оцениваем эффективность в 10%. Мы также считаем, что для любого местоположения на поверхности с низкими и средними широтами Солнце находится над горизонтом ~1/3 дня. (Эта оценка не включает сезонные колебания или затмения Сатурна.)
Если мы возьмём будущее поселение Титана примерно равным населению США (площадь поверхности которого составляет ~10,8 % от площади Титана), мы можем предположить, что они могут потреблять примерно столько же энергии, сколько в настоящее время потребляется в США, ~1,4 × 1019 Дж/год или 4,2 × 1020 Дж/Титановый год. Чтобы удовлетворить эту потребность на Титане энергией солнечного потока (~1,4-1,7 Дж/м2с), падающего на поверхность, потребуется покрыть ~89 % площади США (~10 % площади поверхности Титана) фотоэлектрическими элементами, то есть 8×1012 м2. (Кстати, фотоэлектрические элементы площадью 1,9 ×1010 м2, что составляет ~9 % площади Канзаса, удовлетворят потребности США в энергии.) Для сравнения, фотоэлектрическая электростанция Solar Star в Калифорнии покрывает площадь 1,3 ×107 м2.
Солнечные панели, покрывающие в общей сложности 8×1012 м2 на Титане, будут производить 1.36×106 МВт мощности. При этом не учитывается эффективность преобразования солнечной энергии в полезную. На Земле такой массив панелей будет производить в 400 раз больше энергии; в качестве альтернативы 1.36×106 МВт энергии на Земле могут произвести солнечные батареи общей площадью 1.94×1010 м².
Одним из способов использования солнечной энергии может быть производство ацетилена (C2H2) из метана (CH4) с помощью пиролиза. Потребуется температура в 1000°C (таблица 2, реакция 7). При более высоких температурах O2 может образовываться при нагревании CO2.
Будущим колонистам на Титане, использующим солнечные батареи для получения энергии, вероятно, потребуется знать о сезонных осадках, временном облачном покрове (оба из которых, вероятно, учтены в наших расчетах, учитывающих солнечный свет в течение 1/3 дня Титана) и/или отложениях толина, оседающих на панелях.адках на панелях.
Геотермальные источники энергии
На Земле остаточное тепло от образования планет и радиогенного нагрева переносится изнутри на поверхность и может быть использовано с помощью геотермальных станций. Существенное количество тепла было обнаружено при помощи измерений на поверхности некоторых лун Солнечной системы, включая Энцелад, где инструменты Кассини наблюдали не менее 4.7 ГВт тепла от трещин на южном полюсе, которое в значительной степени связано с рассеиванием тепла приливной энергии. Точно так же на спутнике Юпитера Ио тепловой поток составляет 2.25 Вт/м2 и является результатом интенсивного приливного нагрева из-за орбитальных резонансов с Юпитером и другими лунами.
На Титане, однако, тепловой поток на поверхности не очень заметен. Текущая дегазация аргона (40Ar), измеренная с помощью Кассини, является лучшим доказательством сегодняшней дегазации на Титане. Такая активность может также быть причиной современного атмосферного метана. В Северном полярном регионе есть объекты, интерпретируемые как активные вулканы, но до сих пор подобные вулканы не были обнаружены в данных Кассини. Тепловой поток Титана составляет всего 5 мВт/м2.
Предположительно, если в будущих миссиях к Титану удастся определить местонахождение геотермальных точек, они потенциально могут быть использованы в качестве участков для доступа к геотермальной энергии.
Вывод
Таким образом, природные ресурсы Титана представляют несколько полезных источников энергии для будущих посетителей (или колонистов/поселенцев) луны. Сжигание одних только углеводородов неэффективно (из-за необходимости получения O2 электролизом или другими способами), но гидрирование ацетилена даёт 376 кДж/моль, а гидрирование атмосферного азота 92 кДж/моль. Вероятно, существуют и другие химические способы производства энергии.
Альтернативой химической энергии является гидроэнергетика, использующая большие моря и озера Титана, заполненные метаном и этаном, для производства энергии, как и гидроэнергетика на Земле. Из-за меньшей гравитации Титана выработка энергии составляет менее 20 % от земной, но огромные размеры моря Кракена, крупнейшего моря Титана, позволят производить энергию в течение десятков тысяч титановых лет. Детальное изучение такого варианта требует углубленных знаний о топографических изменениях внутри и вокруг высокоширотных озер и морей.
Ветроэнергетика – жизнеспособный вариант. Скорость ветра на Титане невелика по сравнению с Землей, но плотность атмосферы выше. Выработка энергии на поверхности Титана будет относительно низкой, однако можно было бы получить доступ к более высоким скоростям ветра на высоте в десятки километров, например воздушными аэростатами.
Солнечная энергия из-за удаленности Титана от Солнца и атмосферного поглощения будет менее эффективной, чем на Земле, а это означает, что массивы солнечных панелей должны быть больше примерно в 400 раз. Как и на Земле, солнечная энергия на Титане невероятно продуктивна, мы представляем, что массивы панелей могут быть расположены по всей поверхности Титана для быстрого доступа к энергии в любое время дня и года.
Каждый из этих источников энергии будет слабее по сравнению с Землей, но если будущие люди на Титане будут использовать комбинацию некоторых или всех из них, у них будет достаточно энергии для обогрева и получения пригодного для дыхания кислорода. Другие варианты, такие как приливная энергия и термоядерный синтез, возможны, но не обсуждаются в этом отчёте.
Таким образом, хотя температура, сила тяжести и ветровые условия на Титане означают, что эффективность производства энергии в осномном ниже, чем на Земле, богатство природных ресурсов Титана, тем не менее, подразумевает, что производство энергии на Титане является весомой перспективой.