Миссия на Марс захватила воображение общественности: никогда возможность предпринять второй небольшой шаг для человечества не была такой близкой. Настоящие планы NASA включают отправку людей на Красную планету уже в 2030-х годах. Если мы когда-нибудь обоснуем колонии на Марсе, нам понадобятся двигатели, которые будут вырабатывать энергию. Придется искать источники энергии и подручные вещества для преобразования тепла в полезную энергию.

На днях в Nature Communications была опубликована статья, в которой описывался способ добычи энергии с веществом, которое в изобилии присутствует на планете: твердая форма двуокиси углерода, известная также как сухой лед.

Инженеры разработали машину, которая может добывать энергию из сухого льда, когда тот сублимируется, то есть переходит из твердого в газообразное вещество. Для освоения Марса это может быть очень важным изобретением.

Чтобы понять почему, давайте вернемся на Землю на мгновение. Здесь мы используем воду, чтобы превратить энергию, запасенную в виде угля, нефти или газа, в полезную механическую или электрическую энергию с помощью так называемой тепловой машины. В паровом двигателе, самой распространенной форме тепловой машины, топливо используется для нагрева воды, которая затем испаряется в пар высокого давления. Этот пар затем движет турбину, вырабатывающую электричество, или локомотив, чтобы создать тягу.

Вода — идеальное вещество в данном случае, поскольку она широко доступна и дешева и может переходить из жидкого в парообразное состояние, то есть изменять фазу, при температуре, которая легко достижима подручными средствами на Земле.

На Марсе эта ситуация меняется кардинально; хотя вода по-прежнему доступна на поверхности Красной планеты, она заблокирована в твердой форме. Нагревание ее до точки плавления, а затем до точки кипения, чтобы использовать ее в качестве рабочего вещества, потребует много энергии.

Однако марсианский лед уже находится близко к «точке сублимации» — температуре, при которой он непосредственно превращается из твердого вещества в газ. Поэтому необходим относительно небольшой толчок, который заставит сухой лед изменить состояние. Задача состоит в том, чтобы использовать энергию, выделяемую при этом изменении, чтобы привести в действие тепловую машину — или обеспечить питанием целую колонию.

Кухонная наука

Давайте обратимся к известному научному явлению, которое вы, вероятно, отмечали будучи на кухне. Когда капля воды помещается на горячей поверхности с температурой выше 100 градусов, возникает пар. Тем не менее если поверхность нагрета выше определенной температуры, известной как точка Лейденфроста, вода не будет испаряться. Вместо этого капля будет сидеть на слое собственного пара и левитировать над поверхностью. Это эффект Лейденфроста.

Тот же самый эффект позволяет сухому льду свободно подниматься над твердыми поверхностями, поскольку он переходит из твердого в газообразное состояние, и, следовательно тоже держится на плаву за счет новообразованного газа.

Мы можем использовать это. Разместив капли воды и небольшие блоки сухого льда на вершине горячих турбинных поверхностей, мы можем использовать эффект Лейденфроста для создания вращательного движения. Турбина направляет высвободившийся пар, который заставляет вращаться левитирующую поверхность выше.

Сублимационная тепловая машина

В серии экспериментов ученые показали, что углекислый газ — жизнеспособное рабочее вещество для тепловых двигателей. Направляя пар, высвобождающийся при сублимации дисков сухого льда, к турбине, мы могли бы использовать сухой лед, чтобы приводить в действие электрический генератор.

Важно отметить, что пар, производимый дисками сухого льда, создает давление, достаточное для преодоления гравитации, и поднимает диск над турбинной поверхностью вследствие эффекта Лейденфроста. Эти диски становятся парящими роторами с низким коэффициентом трения.

Тепловые машины на Марсе

Здесь, на Земле, сухой лед в природе не встречается. Однако спутниковые снимки NASA MRO показали, что на Марсе ситуация выглядит совершенно иначе: там встречаются крупные овраги из льда, до 2 километров в длину. Эти структуры очень отличаются от водных заливов на Земле.

Вместо того чтобы выстраиваться веером в нижней части, как можно было бы ожидать от потоков воды, марсианские потоки сухого льда вытягиваются почти параллельными линиями и постепенно смыкаются. Недавно ученые NASA показали, что такие формы могут быть вызваны скольжением валунов твердого сухого льда, который сублимирует при летнем повышении температуры на Марсе.

На Марсе углекислый газ играет такую же роль, как и вода на Земле. Это широко доступный ресурс, который проходит через циклические изменения фаз под действием природных марсианских температурных колебаний. Возможно, будущие электростанции на Марсе будут использовать весь этот CO2, собирая энергию изменения фаз по мере сублимации сухого льда, или же попробуют освоить метан.

Одно можно сказать наверняка: наше будущее на других планетах зависит от нашей способности адаптировать наши знания под ограничения, накладываемые странными мирами, и разрабатывать творческие способы использования ресурсов, которые не встречаются здесь, на Земле.