Mars Society Polska:
  ::  Strona główna
  ::  Zarząd
  ::  Dane MSP
  ::  Statut stowarzyszenia
  ::  Deklaracja założycielska
  ::  Raporty
  ::  Studenckie Koło Naukowe

  Projekty:
  ::  Projekt MPV

  Zbiory MSP:
  ::  Archiwum artykułów
  ::  Zdjęcia i animacje
  ::  Forum
  ::  Księga gości
  ::  Linki

  MS na świecie:
  ::  Kwatera Główna w USA
  ::  Wielka Brytania
  ::  Kanada
  ::  Australia
  ::  Pozostałe oddziały
 
Produkcja paliwa IN SITU jako rozwiązanie dla lotów Ziemia - Mars - Ziemia
<< cofnij

Andrzej Kotarski
e-mail: andrzejk@itnet.com.pl
Warszawa, 23 październik 1999


Mars fascynował ludzkość od dawna. W starożytności czczono go jako bóstwo. W czasach Keplera wyznaczono jego orbitę, sporządzono pierwsze szkice jego tarczy i wyznaczono czas marsjańskiej doby. Na początku XIX wieku znane były już prawie wszystkie podstawowe dane na temat Czerwonego Globu: okres obiegu wokół Słońca, długość dnia. Masa i gęstość planety, odległość od Słońca, długość dnia, wartość siły ciążenia na powierzchni planety oraz kąt nachylenia do płaszczyzny orbity. Następnie odkryto istnienie atmosfery na podstawie zmian na powierzchni i rozmiarów czap biegunowych w zależności od marsjańskiej pory roku. Dodatkowo odkryto księżyce Marsa i kanały na jego powierzchni. Dokonanie odkryć od czasów Keplera umożliwiła luneta i teleskop. Po pierwszych lotach w kosmos, sondy bezzałogowe podjęły badania Marsa. Marinery 4,6,7,9 przesłały na Ziemię pierwsze wyniki badań i obrazy planety. Mars 2 i 3 wylądowały na powierzchni planety. Vikingi 1 i 2 przesłały wyniki badań gruntu. Po kilkuletniej przerwie wysłano Mars Observera oraz Phobosy 1 i 2, misje, które zakończyły się niepowodzeniem. W latach 1996 - 1999 Marsa badał Mars Global Surveyor, Mars Pathfinder oraz robot Sojourner. Nie obeszło się bez niepowodzeń. Misje Mars 96 i Mars Climate Orbiter utracono na wskutek błędów w konstrukcji rakiety nośnej lub błędów w przeliczeniu odległości. W drodze na Marsa są japońska sonda Nozomi (Planet B) i Mars Polar Lander.

Jednak wszystkie powyżej wymienione sondy leciały w jedną stronę. Z Ziemi na Marsa. Z Marsa na Ziemię wracały jedynie przekazy radiowe wyników badań oraz zdjęcia zrobione z powierzchni planety i z orbity. Nie dostarczą one odpowiedzi na wiele pytań dotyczących planety. Konieczne będzie dostarczenie próbek gruntu i wysłanie człowieka, aby przeprowadzić pełniejszą eksplorację. A w tym przypadku podróż odbędzie się w obie strony.

Wczesne koncepcje podróży na Marsa i z powrotem miały jedną wspólną cechę: przewidywano w nich konieczność zabrania paliwa na podróż w obie strony. Dla misji przywiezienia próbek z Marsa (Mars Sample Return) opracowano 2 rodzaje projektów.

1) Wysłanie 1 dużej rakiety ze statkiem posiadającym zapas paliwa na lot w obie strony. W lądowniku znajdowałby się robot do pobierania próbek, które umieściłby w pojemniku statku powrotnego. 1,5 roku później rakieta wystartowałaby i po 8 miesiącach próbki trafiłyby na Ziemię.

2) Wysłanie 2 statków na pokładzie 2 mniejszych rakiet. Pierwszy składałby się z pojazdu powrotnego (ERV) z paliwem na lot do Ziemi z orbity Marsa. Po dotarciu do Marsa ERV zostałby na orbicie. Drugi - to pojazd startujący z paliwem na lot z planety na orbitę marsjańską (MAV - Mars Ascend Vehicle) z robotem i pojemnikiem na próbki. Wylądowałby on na Marsie. Robot pobrałby próbki i umieściłby je w pojemniku. MAV wystartowałby z pojemnikiem i spotykał się na orbicie okołomarsjańskiej z pojazdem powrotnym. Następnie po przekazaniu pojemnika na pokład ERV, po odrzuceniu MAV wyruszyłby w drogę powrotną jak poprzednio.

Pierwszy projekt okazał się zbyt kosztowny, mimo, iż nie był skomplikowany. Pojazd byłby duży i potrzebowałby dużej rakiety, a to kosztowało. Drugi projekt był tańszy, ale jego złożoność i stopień ryzyka towarzyszącego spotkaniu na orbicie okołomarsjańskiej były zbyt duże. Poza tym, technologie zdalnego sterowania takim spotkaniem na orbicie okołomarsjańskiej nawet z wykorzystaniem wirtualnej obecności człowieka rozbiły się o prosty fakt występowania opóźnienia w łączności Ziemia - Mars.

Dla wypraw załogowych na Marsa podstawą był opracowany w latach 40-tych przez Wernera von Brauna program Das Marsprojekt. Zakładał on budowę orbitalnej infrastruktury do budowy flotylli statków wystrzeliwanych w kierunku Czerwonej Planety. Późniejsze wersje tego projektu rozważano w 1969 roku i później, uaktualniając go technicznie do momentu opracowania tzw. Raportu 90-dniowego, gdzie koncepcję rozbudowano do planu potrzebującego więcej elementów niż jego pierwowzór. Najpierw zamierzano zbudować stacje orbitalne wyposażone w sprzęt do budowy i tankowania rejsowych statków Ziemia - Księżyc. Statki te przewiozłyby materiały do budowy kompleksu baz księżycowych. Połączona infrastruktura na orbicie wraz z bazami na Księżycu posłużyłaby do budowy gigantycznego statku zdolnego przenieść 1000 ton ładunku, który odbywałby rejsy Ziemia - Mars - Ziemia po trajektorii opozycyjnej. Podczas pobytu na orbicie Marsa, niewielki statek przewiózłby grupę naukowców na 30-dniowy pobyt na powierzchni planety. Taki statek ruszałby załadowany i ciężki, a wracałby pusty i lekki po zostawieniu w trakcie rejsu różnych fragmentów zbędnego wyposażenia. Od razu widać w powyżej omówionej koncepcji niesłychaną złożoność i obecność zbędnych elementów. Spowodowały one, że koszta projektu były gigantyczne, a realizacja przeciągnęłaby się na dziesiątki lat.

Podsumowując projekty tradycyjnych lotów bezzałogowych i załogowych na Marsa, można stwierdzić, że potrzebne były nowe rozwiązania, które uprościłyby konfiguracje misji i obniżyły ich koszty, a co za tym idzie, sprawiłyby, że staną się bardziej realne w najbliższym czasie. Jednym z rozwiązań jest produkcja paliwa in situ z atmosfery na Marsie. W przełomie lat 1989/90 było wiadomo, że Raport 90-dniowy nie ma szans na zrealizowanie, jak i powyżej omówione misje przywiezienia próbek z Marsa. Dlatego w amerykańskiej firmie Martin-Marietta opracowano założenia produkcji paliwa in situ sięgając po prace prof. Roberta Asha z 1976 roku. Stały się one jedną z podstaw przy planowaniu lotów załogowych i bezzałogowych na Czerwony Glob. Był to wynik zastosowania koncepcji wykorzystania lokalnych zasobów, w skład której wchodziła produkcja paliwa in situ.

Jak wiadomo, atmosfera na marsjańska składa się z 95% CO2 i 2,7% N2. Dlatego pod uwagę wzięto dwa układy paliwa i utleniacza, które można z niej uzyskać: tlenek węgla / tlen oraz metan / tlen.

Pierwszym kandydatem jako paliwo uzyskane in situ jest tlenek węgla/tlen. Można go otrzymać w reakcji rozkładu dwutlenku węgla w przebiegającej następująco:


2CO2 --> 2CO + O2


Całość zachodzi w wysokiej temperaturze 1100 C w reaktorze składającym się z tysięcy małych ceramicznych rurek tlenku cyrkonu.



Tlen oddziela się od mieszaniny stosując elektromechaniczne pompowanie przez membranę z tlenku cyrkonu pod napięciem. Oba składniki trafiałyby do zamrażarki, a potem do zbiorników. Zaletą układu CO/O2 jest prostota otrzymywania. Jedna reakcja, jeden reaktor. Wady - mała wytrzymałość mechaniczna tlenku cyrkonu użytego do budowy reaktora i wymagająca dużego nakładu energii duża endotermiczność reakcji. Impuls właściwy uzyskany ze spalenia 1 kg mieszaniny do otrzymania 1 kG siły ciągu wynosi 270 sek. (2700 m/s). Nie jest to najlepszy wynik, jeśli porównamy go z silnikiem rakiety V2 na etanol i tlen i Isp 230 sek. (2300 m/s) oraz silnikiem RL-10 firmy Pratt&Whitney o Isp. 450 sek. (4500 m/s) na wodór i tlen. Oprócz tego, poważnym wyzwaniem dla konstruktorów będzie skonstruowanie silnika odpornego na bardzo wysoką temperaturę spalania CO i O2 (co może być już nieaktualne, biorąc pod uwagę projekt misji przywiezienia próbek gruntu z Marsa planowanej na rok 2003, gdzie ta mieszanina ma być użyta jako materiał pędny). Niezbyt dobra wydajność tego paliwa wymusza potrzebę zabrania na Marsa dużych zbiorników.

Alternatywnym układem materiału pędnego do CO/O2 jest układ CH4/O2 . Na Marsie powstawałby z reakcji:


1) CO2 + 4H2 --> CH4 + 2H2O
Reakcja Sabatier`a


2) 2H20 --> 2H2 + O2
Elektroliza


Cechą charakterystyczną widoczną w reakcjach jest obecność wodoru, który nie występuje w atmosferze marsjańskiej. Skąd go zatem otrzymać? Potrzebne byłoby źródło wody, ale nie wiadomo czy woda na Marsie występuje. Zatem jedynym wyjściem jest przywiezienie wodoru z Ziemi. Masa wodoru przywiezionego z Ziemi nie jest na tyle duża w porównaniu z ilością dwuskładnikowego paliwa, jaką można dzięki niemu otrzymać. Stosunek mas wynosi 1:12. Dlatego dostarczenie wodoru z Ziemi opłaca się bardziej od dostarczenia całego zapasu paliwa z Ziemi.

Przechodząc do reakcji przedstawionych powyżej, widać, że reakcja (1) jest znana jako reakcja Sabatiera. Jest ona reakcją egzotermiczną. Przebiega samorzutnie w stalowym reaktorze po dostarczeniu energii do jej rozpoczęcia w obecności katalizatora z rutenu lub niklu. Jej wysoka stała równowagi oznacza dużą wydajność (ok. 90%). Otrzymany metan skraplany jest w zamrażarce lub przy zetknięciu się z ultrazimnym strumieniem wodoru. Powstała woda w reakcji zostaje skroplona w kondensatorze. Trafia ona do pojemnika, a następnie w procesie elektrolizy w elektrolizerze SPE wg reakcji (2) uzyskuje się tlen i wodór. Tlen kieruje się do zamrażarki, gdzie zostaje skroplony i zmagazynowany, a wodór zostaje użyty ponownie w reakcji (1).




Cyklicznie użyty wodór w reakcjach (1) i (2) umożliwia otrzymanie mieszaniny metanu i tlenu w stosunku mas 1:2. Spalanie takiej mieszaniny daje Isp. 340 sek. (3400 m/s). Istnieje możliwość uzyskania większej wydajności spalania poprzez zastosowanie proporcji metanu do tlenu 1:3,5 dającej Isp. 380 sek. (3800 m/s).


1) CO2 + 4H2 --> CH4 + 2H2O
Reakcja Sabatier`a


2) 2H20 --> 2H2 + O2
Elektroliza


3) CO2 + H2 --> CO + H2O
Reakcja RWGS


Dodatkową porcję tlenu otrzymać można w reakcjach (3) RWGS (odwrotnej do reakcji tworzenia gazu wodnego) i (2) przy użyciu wodoru otrzymanego po przeprowadzeniu reakcji (1) i (2). Reakcja (3) cechuje się endotermicznością i przebiega w obecności katalizatorów żelazowo-chromowych. Można ją przeprowadzić w stalowym reaktorze wykorzystując ciepło uzyskane z reakcji Sabatiera czyli ok. 400 C, ale jej stała równowagi wynosząca ok. 0,1 jest niekorzystną cechą. Można go ominąć odprowadzając jeden z produktów - wodę. Wymaga to ciągłej pracy kondensatora podczas tej reakcji.




Proces uzyskania tlenu i metanu w porównaniu z otrzymaniem tlenku węgla i tlenu, wymaga mniej energii potrzebnej do przeprowadzenia 2 lub 3 reakcji. Aparatura do przeprowadzenia reakcji Sabatiera, elektrolizy i reakcji RWGS jest bardziej złożona, ale jej konstrukcja jest solidniejsza. Wadą jest uzależnienie od przywiezionego z Ziemi zapasu wodoru. Większa wydajność energetyczna uzyskanego paliwa, to mniejsze zbiorniki potrzebne do jego zmagazynowania i mniejsza masa startowa w porównaniu misji z układem tlenek węgla / tlen. Następną rzeczą wartą wspomnienia jest to, że można do mieszaniny metan/tlen przystosować będący w użyciu silnik RL-10.

Użycie produkcji paliwa in situ pozwala uprościć konfigurację misji wysyłanych na Marsa i obniżyć ich koszty. Dla misji bezzałogowej oznacza to zabranie mniejszej ilości paliwa tj. ilości potrzebnej na lot i lądowanie na Marsie. Wystarcza jednak niezbyt duża rakieta nośna, lądownik z instalacją ISPP, robot i pojemnik na próbki. Lądownik po dotarciu na powierzchnię Marsa rozpoczyna produkcję paliwa na powrót na Ziemię lub wyniesienie pojemnika na orbitę okołomarsjańską. Robot w tym czasie zbiera próbki gruntu i umieszcza je w pojemniku. Kiedy otwiera się okno startowe lądownik startuje z powierzchni Marsa na orbitę planety i wraca na Ziemię lub zostaje pochwycony przez statek wysłany z Ziemi.

Misja załogowa dzięki wykorzystaniu produkcji paliwa in situ może zostać wysłana na Marsa z Ziemi przy użyciu bezpośredniego startu. W projektach "Mars Direct" Roberta Zubrina i "Mars Semi-direct" opracowanym dla NASA produkcja paliwa na miejscu stanowi integralną część planowanej wyprawy załogowej. Zbędne stają się kosmiczne stacje i bazy na Księżycu. Uzyskane dzięki temu korzyści sprawiają, że moment postawienia stopy na Marsie znacznie się przybliży i wielu z nas będzie tego świadkiem.




Bibliografia:

1) Zubrin Robert - Czas Marsa - Warszawa 1997
2) Gola Marian - Ziemska inwazja na Marsa - Astronautyka 3/99 s.11-13




Ogólne pytania proszę kierować pod adres: kontakt@marssociety.pl
Copyright © The Mars Society 1998-2003
" Ziemia jest kolebką ludzkości, lecz nikt
nie pozostaje w kolebce do końca życia. "
-- Konstanty Ciołkowski, 1895

PRZYŁĄCZ SIĘ DODAJ DO ULUBIONYCH NAPISZ DO NAS FAQ