Вопрос экономического освоения космоса, по крайней мере Солнечной системы, упирается, как и в отношении любой земной экономики, в перевозки. Без возможности транспортировки грузов в пределах этого обширного космического пространства никакой космической экономики не будет. А перевозки упираются в вопрос топлива для космических кораблей.
Несмотря на то, что космические корабли, в отличие от земных транспортных средств, не нуждаются в постоянном расходе топлива для поддержания своего движения, тем не менее, расход топлива необходим для различных маневров (например, для смены орбиты), а также для ориентации в пространстве. Может быть и сравнительно немного, только где его взять в космосе?
В существующих проектах дальних космических кораблей основной упор делается на разного рода ядерные двигатели. Например, проект Транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) предусматривает установку ядерной электродвигательной установки мощностью в 1 МВт. Это весьма неплохой и полезный проект, но малопригодный для того, чтобы в будущем стать основой для космического транспорта. Причина тому проста: ядерный реактор рассчитан на 100 тысяч часов работы (11,4 года), после чего большой корабль становится лишь космическим мусором. Срока его службы хватит только на один перелет к Сатурну и обратно, а из полета к окраинам Солнечной системы он не вернется. Поэтому, ТЭМ подойдет для полетов к Луне и к ближним планетам, таким как Венера и Марс, но не более того.
Дальше видится два возможных пути. Первый состоит в том, чтобы ждать, пока появится более совершенный двигатель. Однако, поскольку любому двигателю требуется рабочее тело, даже в самых наилучших вариантах все равно будет стоять вопрос о дозаправке космического аппарата и, соответственно, о производстве и запасании топлива. Этот вопрос может казаться малозначимым в рамках одной, отдельной взятой миссии, когда запасы топлива рассчитываются изначально и входят в стартовый вес корабля. Но если мы рассуждаем о космической экономике, с тысячами кораблей, выполняющих множество полетов, вопрос о запасах топлива станет остро.
Второй путь состоит в том, чтобы производить топливо на Земле, запускать его на околоземную орбиту и оттуда доставлять на все используемые транспортные корабли. Конечно, Земля будет одним из главных источников топлива, но снабжение земным топливом целесообразно только в пределах околоземных орбит. Доставка топлива в Земли дальше, к астероидам или на другие планеты явно будет неэкономичным решением. С таким транспортом космическая экономика будет потреблять, а не давать ресурсы.
Поэтому, лучше всего добывать или производить топливо в космосе, используя наличные там ресурсы.
Хорошее решение, тем не менее, имеет ряд проблем. Во-первых, обычно используемые в ракетном топливе пары топливо-окислитель - это сложные вещества, которые за пределами Земли произвести очень даже непросто. Необходимые вещества есть далеко не везде. К примеру, ресурсы азота, необходимые для производства одной из распространенных пар: гидразина и тетраоксида азота, есть только на Венере.
Во-вторых, ресурсы для изготовления углеводородного или азотного топлива, а также окислителя к нему, конечно, найти можно. Но это буквально несколько точек, к которым жестко привязывается все производство топлива, и откуда его потребуется развозить на все используемые корабли. Неэкономично, поскольку перевозки топлива также потребуют расхода этого самого топлива. По существу, это тот же вариант, что и с земным топливом, только еще более сложный.
Отсюда решение - нужно производить что-то более простое. Подошла бы перекись водорода, которую можно делать из воды, предварительно разлагая ее на простые компоненты. Методы прямого синтеза перекиси водорода уже есть, хотя и довольно сложные и применением платинового или палладиевого катализатора. Да и сама концентрированная перекись водорода весьма неплоха в качестве монотоплива, поскольку разлагается при катализаторе с выделением большого объема нагретого парогаза. Однако, методы прямого синтеза пока что очень трудно повторить в автоматическом режиме и в космосе (там, скорее всего, будут свои нюансы), а сама перекись водорода с течением времени и довольно быстро разлагается на воду и кислород, что негативный фактор для дальних космических полетов, в которых топливо должно хранится годы и десятки лет без изменений.
Тупик? Совсем нет. Явная непригодность перекиси водорода в качестве основного топлива для космического транспорта, обеспечивающего экономическое освоение Солнечной системы, привела к мысли использовать в качестве рабочего тела космических двигателей воду. Да, паровой космический двигатель, как бы это не показалось странным.
Многие спутники в своих двигателях ориентации используют сжатый азот. Двигатель весьма прост по конструкции: баллон с газом, клапан и сопло. При открытии клапана струя газа под давлением, выходящая через сопло, создает реактивную тягу. Паровой космический двигатель примерно такой же по конструкции, и также включает в себя котел, в котором содержится горячий пар под давлением, клапан и сопло. Кроме этих элементов есть емкость для воды и испаритель, работающий от солнечного концентратора или нагревателя, запитываемого от солнечных батарей, например, СВЧ или лазерного нагревателя (поскольку в невесомости трудно обеспечить прямую теплопередачу от нагревателя к воде).
Котел парового космического двигателя представляет собой устройство, аналогичное котлу бестопочного паровоза. В нем содержится жидкая вода и нагнетается перегретый пар под давлением. При открытии клапана и выхода пара в сопло, давление в котле падает, вода вскипает и образуется дополнительный пар. Когда двигатель отработал и клапан закрыт, запас воды и пара в котле может быть пополнен.
Здесь нужно отметить, что в условиях космического вакуума вода возгоняется изо льда в пар уже при температуре 200 Кельвинов (-73,15 градусов Цельсия). То есть требуется весьма небольшой нагрев, чтобы вода превратилась в неплохое рабочее тело. Дальнейшим нагревом в котле можно значительно поднять давление пара. При 373,15 Кельвинов (100 градусов Цельсия) давление пара достигает 101,4 кПа, то есть более чем в 100 тысяч раз больше давления в вакууме. Давление в 20 МПа достигается при температуре 366,1 градусов Цельсия. Это уже недалеко от давления в камере сгорания ракетного двигателя РД-180 (26,8 МПа). Пар под таким давлением, выброшенный через сопло, создаст весьма хорошую реактивную тягу.
Обращение к такому паровому космическому двигателю связано с тем, что воду в космосе добыть намного проще, чем компоненты или сырье для любого другого вида ракетного топлива. По современным данным, вода в значительных количествах есть на многих спутниках планет и на астероидах, то есть практически во всех местах, интересных для развития космической экономики.
В основном вода на астероидах имеется в виде льда, но ее нетрудно извлечь при помощи нагревателя, который ее испаряет, и сборного устройства, отбирающего пар и закачивающего его прямо в котел или конденсатор, если требуется жидкая вода. Перегонка заодно очищает воду от возможных примесей, которые в двигателе нежелательны. Оборудование по добыче воды все равно придется создать, поскольку вода нужна и для космонавтов, и для различных технологических целей.
Интересная особенность воды в качестве рабочего тела в космосе состоит в том, что это в известной степени возобновляемый ресурс. Водяной пар или уже охладившиеся до льда мельчайшие частицы воды, которые ранее уже был использованы в двигателе, создадут на траектории полета облако, которое можно будет впоследствии собрать уловителем, установленном на корабле, летящем по той же траектории, и использовать повторно. Вполне возможно, что при интенсивных и частых полетах, на наиболее часто используемых траекториях постоянно будет находиться облако водяного пара или частиц льда - своего рода облако реактивного выхлопа, которое само по себе будет запасом рабочего тела для кораблей, идущих следом.
