Роберт Зубрин - Экономическая целесообразность колонизации Марса (продолжение)
Начало - тут, тут и тут (спасибо Олегу Михайлову за перевод).
Чтобы понять это, необходимо рассмотреть активные взаимосвязи между Землей, Луной, Марсом и Главным Поясом астероидов. Пояс астероидов включен в картину, так как известно, что он содержит огромные запасы высококонцентрированной металлической руды, находящейся в условиях низкой гравитации, что позволяет сравнительно легко экспортировать ее на Землю. Шахтеры, работающие в Главном Поясе, по вышеприведенным причинам не смогут производить жизненно необходимую продукцию на месте. Таким образом, будет необходимо экспортировать пищу и другие необходимые товары либо с Земли, либо с Марса в Главный Пояс. Как показано в таблице ниже, Марс имеет огромное позиционное преимущество как место, с которого будет вестись данная торговля.
В таблице 1 все данные, кроме последних двух строк, взяты для системы транспортировки использующей CH4/O2 двигатели с начальным удельным импульсом 380 и высокой реактивной тягой. Они были выбраны, так как CH4/O2 является наиболее пригодным для хранения в космосе химическим топливом и оно может быть легко произведено как на Земле, так и на Марсе, или на углеродсодержащем астероиде. H2/O2, хотя и предлагает больший начальный удельный импульс (450), не хранится в космосе в течение длительного времени. Более того, это неподходящее топливо для дешевой многоразовой системы космической транспортировки, так как он стоит на порядок больше, чем CH4/O2 (таким образом, исключая его для действительно дешевого вывода на орбиту), и его объем делает трудным его доставку на орбиту в каком-либо количестве, используя одноступенчатые транспортные средства.
Таблица 1. Транспортировка внутри Солнечной системы.
Земля
Марс
dV (км/с)
Отношение масс
dV (км/с)
Отношение масс
Выход на низкую орбиту
9.0
11.4
4.0
2.9
Выход за пределы притяжения
12.0
25.6
5.5
4.4
Выход на низкую орбиту для прилунения
6.0
5.1
5.4
4.3
Прилунение
15.0
57.6
9.4
12.5
Низкая орбита для Цереры
9.6
13.4
4.9
3.8
Приземление на Цереру
18.6
152.5
8.9
11.1
С Цереры на планету
4.8
3.7
2.7
2.1
Облет Цереры по низкой орбите на ядерно-электрическом двигателе.
40.0
2.3
15.0
1.35
Низкая орбита на химическом топливе/приземление на Цереру на ядерном электроракетном двигателе.
9/40
26.2
4/15
3.9
Данные в последних двух строках взяты для ядерного электроракетного двигателя, использующего в качестве топлива аргон, доступный и на Земле, и на Марсе, с шаговым числом 5000 для движения в космосе, с CH4/O2, используемым для выхода на низкую орбиту с поверхности планеты.
Видно, что если используются только химические двигатели, то отношение масс, необходимое для доставки сухой массы на пояс астероидов, с Земли в 14 раз больше, чем с Марса. Это предполагает, кроме того, гораздо большее отношение полезного груза к взлётному весу с Марса на Цереру, чем с Земли, потому что все дополнительное топливо требует больших топливных баков и большего размера двигателей, все это требует еще больше топлива и, следовательно, новых топливных баков, и т.д. Фактически, смотря на Таблицу 1, с уверенностью можно сказать, что действующая торговля между Землей и Церерой (или с любым телом в Главном Поясе астероидов), используя химические двигатели, скорее всего, невозможна, тогда как с Марса это легко. Также видно, что у Марса пятикратное преимущество над Землей в отношении масс доставляемых на земную Луну грузов.
Если вводятся ядерные электроракетные двигатели, картина меняется, но несильно. Марс все еще имеет семикратное преимущество в отношении масс над Землей как порт отправки к Главному Поясу Астероидов, что выливается в отношение полезной нагрузки к весу взлетной почти на два порядка выше для отправки с Марса, чем с Земли.
Сравнение перелетов на всех химических и ядерных электроракетных двигателях с Земли на Цереру и с Марса на Цереру показано в Таблице 2. Оба перелета доставляют 50 тонн груза. Емкость топливного бака для обоих видов двигателей рассчитана как 7% массы необходимого топлива. Для транспорта, выводящего груз на орбиту, считается, что сухая масса, исключая массу топливного бака, равна массе полезного груза. Для
межпланетных систем на химическом топливе считается, что сухая инертная масса, исключая массу топливного бака, равна 20% массы полезного груза. Для ядерно-электрической версии в Таблице 2 взяты 10 МВт на доставку с Марса и 30МВт на доставку с Земли, при массе всей ядерно-электрической системы 5 тонн/МВт.
Разные энергетические характеристики дают обоим системам примерно равные отношения энергии к массе; система, стартующая с Земли, тем не менее разгоняется в 2.4 раза дольше. Если бы была цель увеличить энергетические характеристики базирующегося на Земле ядерного электроракетного транспорта так, чтобы время разгона было таким же, как у системы, базирующейся на Марсе, масса земной системы устремилась бы к бесконечности. В Таблице 2 все значения массы приведены для всей миссии; понятно, что общая потребность при необходимости может быть разбита на много запусков транспортных средств.
Таблица 2. Масса миссии доставки к Главному Поясу Астероидов (тонны)
Планета отправки
Земля
Марс
Система двигателя
CH4/O2
Хим/ЯЭР
CH4/O2
Хим/ЯЭР
Полезный груз
50
50
50
50
Межпланетный корабль
10
150
10
50
Межпланетный топливный танкер
85
19
15
3
Межпланетное топливо
1220
268
205
37
Общая масса на низкой орбите
1365
487
280
140
Инертная масса запускаемого ТС
1365
337
280
90
Запускаемый топливный танкер
6790
1758
88
28
Запускаемое топливо
97000
25127
1250
401
Общая поднимаемая масса
106520
27559
1898
609
Из таблицы видно, что запускаемая масса для отправки груза на Цереру примерно в 50 раз меньше для миссии с Марса, чем эта отправка с Земли - неважно, используются ли двигатели полностью на химическом топливе, или транспорт для вывода на орбиту на химическом топливе, совмещенный
с ядерным электроракетным двигателем для межпланетного перелета. Если бы используемое для запуска транспортное средство имело массу для запуска 1000 тонн, потребовалось бы 107 запусков для перевозки груза на CH4/O2, если запуски производились бы с Земли, и только 2 запуска, если с Марса. Даже если бы топливо и другие расходы на запуски были бы в 10 раз выше на Марсе, чем на Земле, все равно было бы весьма выгодно производить запуски с Марса.
Результат этого буквально такой: что-либо, что должно быть доставлено на пояс астероидов и может быть произведено на Марсе, будет произведено на Марсе.
Очертания будущей межпланетной торговли таким образом становятся понятными. Это будет «треугольная торговля» с Землей, поставляющей высокотехнологичные товары на Марс, Марсом, поставляющим низкотехнологичные производственные товары и продукты питания на пояс астероидов и, возможно, также на Луну, и астероидами и Луной, поставляющими металлы и, возможно, гелий-3 на Землю.
Эта «треугольная торговля», показанная на рис. 1 - точный аналог тройственной торговли между Британией, ее североамериканскими колониями и Вест-Индией в период колониальной зависимости. Британия отправляла производственные товары в Северную Америку, американские колонии посылали продукты питания и необходимые ремесленные товары в Вест-Индию, и Вест-Индия отправляла товарные культуры, такие как сахар, в Британию.
Подобная тройственная торговля, включающая Британию, Австралию и Острова Пряностей, также поддерживала Британскую торговлю в Восточной Индии в течение 19го века.
Рис. 1. Тройственная торговля: 18 век и 21 век.
Чтобы понять это, необходимо рассмотреть активные взаимосвязи между Землей, Луной, Марсом и Главным Поясом астероидов. Пояс астероидов включен в картину, так как известно, что он содержит огромные запасы высококонцентрированной металлической руды, находящейся в условиях низкой гравитации, что позволяет сравнительно легко экспортировать ее на Землю. Шахтеры, работающие в Главном Поясе, по вышеприведенным причинам не смогут производить жизненно необходимую продукцию на месте. Таким образом, будет необходимо экспортировать пищу и другие необходимые товары либо с Земли, либо с Марса в Главный Пояс. Как показано в таблице ниже, Марс имеет огромное позиционное преимущество как место, с которого будет вестись данная торговля.
В таблице 1 все данные, кроме последних двух строк, взяты для системы транспортировки использующей CH4/O2 двигатели с начальным удельным импульсом 380 и высокой реактивной тягой. Они были выбраны, так как CH4/O2 является наиболее пригодным для хранения в космосе химическим топливом и оно может быть легко произведено как на Земле, так и на Марсе, или на углеродсодержащем астероиде. H2/O2, хотя и предлагает больший начальный удельный импульс (450), не хранится в космосе в течение длительного времени. Более того, это неподходящее топливо для дешевой многоразовой системы космической транспортировки, так как он стоит на порядок больше, чем CH4/O2 (таким образом, исключая его для действительно дешевого вывода на орбиту), и его объем делает трудным его доставку на орбиту в каком-либо количестве, используя одноступенчатые транспортные средства.
Таблица 1. Транспортировка внутри Солнечной системы.
Земля
Марс
dV (км/с)
Отношение масс
dV (км/с)
Отношение масс
Выход на низкую орбиту
9.0
11.4
4.0
2.9
Выход за пределы притяжения
12.0
25.6
5.5
4.4
Выход на низкую орбиту для прилунения
6.0
5.1
5.4
4.3
Прилунение
15.0
57.6
9.4
12.5
Низкая орбита для Цереры
9.6
13.4
4.9
3.8
Приземление на Цереру
18.6
152.5
8.9
11.1
С Цереры на планету
4.8
3.7
2.7
2.1
Облет Цереры по низкой орбите на ядерно-электрическом двигателе.
40.0
2.3
15.0
1.35
Низкая орбита на химическом топливе/приземление на Цереру на ядерном электроракетном двигателе.
9/40
26.2
4/15
3.9
Данные в последних двух строках взяты для ядерного электроракетного двигателя, использующего в качестве топлива аргон, доступный и на Земле, и на Марсе, с шаговым числом 5000 для движения в космосе, с CH4/O2, используемым для выхода на низкую орбиту с поверхности планеты.
Видно, что если используются только химические двигатели, то отношение масс, необходимое для доставки сухой массы на пояс астероидов, с Земли в 14 раз больше, чем с Марса. Это предполагает, кроме того, гораздо большее отношение полезного груза к взлётному весу с Марса на Цереру, чем с Земли, потому что все дополнительное топливо требует больших топливных баков и большего размера двигателей, все это требует еще больше топлива и, следовательно, новых топливных баков, и т.д. Фактически, смотря на Таблицу 1, с уверенностью можно сказать, что действующая торговля между Землей и Церерой (или с любым телом в Главном Поясе астероидов), используя химические двигатели, скорее всего, невозможна, тогда как с Марса это легко. Также видно, что у Марса пятикратное преимущество над Землей в отношении масс доставляемых на земную Луну грузов.
Если вводятся ядерные электроракетные двигатели, картина меняется, но несильно. Марс все еще имеет семикратное преимущество в отношении масс над Землей как порт отправки к Главному Поясу Астероидов, что выливается в отношение полезной нагрузки к весу взлетной почти на два порядка выше для отправки с Марса, чем с Земли.
Сравнение перелетов на всех химических и ядерных электроракетных двигателях с Земли на Цереру и с Марса на Цереру показано в Таблице 2. Оба перелета доставляют 50 тонн груза. Емкость топливного бака для обоих видов двигателей рассчитана как 7% массы необходимого топлива. Для транспорта, выводящего груз на орбиту, считается, что сухая масса, исключая массу топливного бака, равна массе полезного груза. Для
межпланетных систем на химическом топливе считается, что сухая инертная масса, исключая массу топливного бака, равна 20% массы полезного груза. Для ядерно-электрической версии в Таблице 2 взяты 10 МВт на доставку с Марса и 30МВт на доставку с Земли, при массе всей ядерно-электрической системы 5 тонн/МВт.
Разные энергетические характеристики дают обоим системам примерно равные отношения энергии к массе; система, стартующая с Земли, тем не менее разгоняется в 2.4 раза дольше. Если бы была цель увеличить энергетические характеристики базирующегося на Земле ядерного электроракетного транспорта так, чтобы время разгона было таким же, как у системы, базирующейся на Марсе, масса земной системы устремилась бы к бесконечности. В Таблице 2 все значения массы приведены для всей миссии; понятно, что общая потребность при необходимости может быть разбита на много запусков транспортных средств.
Таблица 2. Масса миссии доставки к Главному Поясу Астероидов (тонны)
Планета отправки
Земля
Марс
Система двигателя
CH4/O2
Хим/ЯЭР
CH4/O2
Хим/ЯЭР
Полезный груз
50
50
50
50
Межпланетный корабль
10
150
10
50
Межпланетный топливный танкер
85
19
15
3
Межпланетное топливо
1220
268
205
37
Общая масса на низкой орбите
1365
487
280
140
Инертная масса запускаемого ТС
1365
337
280
90
Запускаемый топливный танкер
6790
1758
88
28
Запускаемое топливо
97000
25127
1250
401
Общая поднимаемая масса
106520
27559
1898
609
Из таблицы видно, что запускаемая масса для отправки груза на Цереру примерно в 50 раз меньше для миссии с Марса, чем эта отправка с Земли - неважно, используются ли двигатели полностью на химическом топливе, или транспорт для вывода на орбиту на химическом топливе, совмещенный
с ядерным электроракетным двигателем для межпланетного перелета. Если бы используемое для запуска транспортное средство имело массу для запуска 1000 тонн, потребовалось бы 107 запусков для перевозки груза на CH4/O2, если запуски производились бы с Земли, и только 2 запуска, если с Марса. Даже если бы топливо и другие расходы на запуски были бы в 10 раз выше на Марсе, чем на Земле, все равно было бы весьма выгодно производить запуски с Марса.
Результат этого буквально такой: что-либо, что должно быть доставлено на пояс астероидов и может быть произведено на Марсе, будет произведено на Марсе.
Очертания будущей межпланетной торговли таким образом становятся понятными. Это будет «треугольная торговля» с Землей, поставляющей высокотехнологичные товары на Марс, Марсом, поставляющим низкотехнологичные производственные товары и продукты питания на пояс астероидов и, возможно, также на Луну, и астероидами и Луной, поставляющими металлы и, возможно, гелий-3 на Землю.
Эта «треугольная торговля», показанная на рис. 1 - точный аналог тройственной торговли между Британией, ее североамериканскими колониями и Вест-Индией в период колониальной зависимости. Британия отправляла производственные товары в Северную Америку, американские колонии посылали продукты питания и необходимые ремесленные товары в Вест-Индию, и Вест-Индия отправляла товарные культуры, такие как сахар, в Британию.
Подобная тройственная торговля, включающая Британию, Австралию и Острова Пряностей, также поддерживала Британскую торговлю в Восточной Индии в течение 19го века.
Рис. 1. Тройственная торговля: 18 век и 21 век.