Инженеры из австралийского университета Суинберна разработали технологический процесс производства железа из подручных материалов на Марсе. Он использует марсианскую почву — реголит, прошедший обработку воздух и солнечную энергию.
Излучение Солнца используется в качестве источника тепла, кроме того, в схеме (карботермической реакции) участвует углерод в качестве катализатора. Его можно добыть, охлаждая угарный газ (CO). В свою очередь CO — побочный продукт работы установки по извлечению кислорода из марсианской атмосфер. Таким образом, установка должна работать в связке с устройством для извлечения кислорода — наследником действующего на марсоходе прибора MOXIE.
Процесс использует карботермическую реакцию восстановления железа из оксида. В таких реакциях углерод или его соединения служат восстановителем. В земной металлургии такие процессы используются с древнейших времён. Самое известное — это использование кокса в качестве топлива и одновременно катализатора для восстановления железа. Правда, таким способом при помощи доменной плавки получают чугун (передельный чугун), который уже на следующем этапе освобождают от примесей углерода и превращают в сталь. С помощью таких процессов на Земле получают и другие элементы, например, карботермия используется для восстановления фосфора из фосфатов.
Что касается планов по добыче стали на Марсе, нужно сразу учесть, что для реакций даже этого первого этапа карботермии нужна высокая температура, выше 1000 °C, соответственно можно ожидать, что затраты энергии будут значительны, а на Марсе вся эта затея будет упираться в доставку туда или построение на месте источников энергии необходимой мощности. Минимальная потребность энергии для обеспечения карботермического реактора, по расчётам, составляет 3,37 МВт⋅ч на тонну жидкого сплава железа. Если учесть, что установка работает не сама по себе, а в связке с «кислородной фабрикой» MOXIE, для которой тоже нужна энергия, то суммарные потребности в энергии для развития марсианской металлургии будут 15,51 МВт⋅ч на тонну.
Если удастся обеспечить на Марсе генератор энергии, то в качестве руды можно будет использовать марсианский реголит, содержащий металлы. Потребности и эффективность такой схемы можно оценить и теоретически, используя термодинамические расчёты и известные диаграммы состояния сплавов с углеродным катализатором. Так, процесс с выходом 99,9% жидкого железного сплава на Марсе удалось бы реализовать под давлением 7 мбар при температуре 1120 °C, при этом необходимая добавка углерода должна составить около 10%. Горячий газ на выходе из процесса будет обогащён на 90% угарным газом, и его можно будет использовать повторно: во-первых, потоком горячего газа можно предварительно нагревать следующие порции реголита, во-вторых, угарный газ можно рециклировать и восстановить до углерода C. Углерод можно снова запустить в цикл карботермической реакции. Итак, дело осталось за малым — построить на Марсе энергетическую станцию для обеспечения металлургического заводика и доменной печи.
Первый шаг к освоению местных ресурсов на других планетах уже сделан: марсоход Perseverance научился добывать кислород из марсианской атмосферы. Для этого служит экспериментальная установка MOXIE на его борту. Количество кислорода, который она производит, сопоставимо с возможностями небольшого дерева. Правда, установка работает в режиме «демонстрации технологий», и добытый кислород после обмеров производительности прибора в разных условиях выпускается обратно в атмосферу. Существуют и другие проекты добычи ресурсов на Марсе и на Луне, пока что они не выходят за пределы экспериментов в земных лабораториях. Вероятно, всё же первыми технологиями в рамках концепции ISRU (In-Situ Resource Utilization) на космических телах будет добыча каких-либо полезных ресурсов на Луне — например, добыча воды и кислорода из залежей льда в кратерах и под слоем реголита вблизи её полюсов.
Автор: Сергей Шапиро