Задача синтеза сырья для химической промышленности марсианской колонии

Задача синтеза сырья для химической промышленности марсианской колонии

В нашем обществе нефть по сию пору используется в большей части как источник энергии, хотя еще Менделеев в свое время говорил о том, что использование нефти подобным образом равноценно «топке печи ассигнациями». Ведь нефть — это, прежде всего, богатейший источник углеводородов для синтеза разнообразных полимеров, без которых наша современная жизнь просто непредставима. Применение изделий из полимеров столь обширно и разнообразно, что наше время вполне можно было бы, по аналогии с различными прошедшими периодами в истории человечества, назвать Веком Полимеров. При планировании колонизации Марса естественным образом встает вопрос об источнике углеводородов. Итак, зададимся вопросом: «Есть ли на Марсе нефть?»

Вопрос этот может показаться наивным — настолько Марс представляется иным по сравнению с нашей Землей. Естественным предполагается отрицательный ответ. Однако, на мой взгляд, вопрос о наличии или отсутствии нефти на Красной Планете является отнюдь не столь уж и явным. Напомним, что о возникновении нефти на Земле бытуют два представления: согласно первому она образовалась в результате разложения неких живых организмов, по второму углеводороды присутствовали на нашей планете изначально, будучи достаточно равномерно распределены по сформировавшему Солнечную Систему газопылевому облаку. Второе представление в последнее время получает все большее подтверждение (к примеру, в его пользу свидетельствуют данные, полученные при бурении Кольской сверхглубокой скважины). При принятии именно этой гипотезы за базовую предположение о наличии нефти на Марсе представляется уже не столь малореальным и фантастическим — ведь если углеводороды есть на Земле, есть в системах планет-гигантов, то почему им в таком случае не быть и на «промежуточном» Марсе?

Тем не менее, при столь слабых познаниях нашей науки о марсианской геологии и о закономерностях планетологии вообще, мы не можем при проектировании марсианской колонизации полагаться на возможно имеющиеся там углеводородные ресурсы. Поэтому, даже предполагая наличие нефти на Марсе, мы не вправе рассчитывать на скорое открытие месторождений гипотетической «марсианской нефти» и на их быстрое включение в эксплуатацию при проведении колонизации Марса. Представляется необходимым, в любом случае, иметь замену самородной нефти — либо на первое время, либо вообще на случай ее полного и принципиального отсутствия. Марсианский Проект должен быть полностью автономен от расчетов на возможность наличия каких-либо легкодоступных ресурсов, кроме тех, присутствие которых на планете является абсолютно достоверным и доказанным.

В качестве таковой замены нефти как источника углеводородного сырья предлагается способ извлечения углерода из марсианской атмосферы и связывание его водородом, полученным из местной воды (существование значительных количеств которой на Марсе представляется вполне доказанным), либо хлором, с получением углеводородных соединений для последующего производства из них полимеров. «Побочным продуктом» процесса будет являться кислород, который, естественно, найдет свое применение в Марсианском Проекте.

В свое время триумфом химической науки стала разработка в 1911 году промышленного синтеза аммиака из азотоводородной смеси. Неисчерпаемым источником азота в этом процессе является воздух. Создание производства аммиака и на его основе производств различных азотных удобрений сняло стоявшую перед цивилизацией угрозу «азотного голода».

Теперь Земля стоит на пороге «углеводородного голода» и возможно, что предлагаемая мной для Марса технология получения углеводородов из газообразного углекислого газа и воды будет когда-нибудь иметь свое применение и на нашей планете, хотя, скорее всего, в каком-либо модифицированном для земных условий виде.

В конце концов, углекислый газ на Марсе — наиболее распространенный компонент атмосферы, и эта его атмосфера может стать источником углерода для получения полимеров и других важных соединений промышленностью марсианских ТБС, также как стал для земной промышленности воздух источником азота.

Вот один из предлагаемых возможных вариантов:

Первичной реакцией этого варианта будет реакция разложения углекислого газа (CO₂), протекающая при высоких температурах:

1) CO₂ = C + O₂

Данная реакция при наличии достаточно мощного источника энергии не представляется особенно затруднительной для массового разложения углекислого газа на составляющие элементы. Полученный кислород из реакционной зоны удаляется и идет на обработку для дальнейшего использования, а углерод направляется на дальнейшее превращение.

Следующая стадия представляет собой получение карбида кальция (CaC₂). В промышленности его получают путем нагревания угля с негашеной известью в электрических печах при температуре порядка 2500 °С по реакции:

2) 3C + CaO = CaC₂ + CO

Угарный газ (CO) в дальнейших превращениях не участвует и выводится из зоны реакции. Однако называть его при этом «отходом» было бы несправедливо, так как его вполне реально, к примеру, использовать на реакцию с хлором (CO + Cl₂ = COCl₂) — образовавшийся фосген является применяемым сырьем для производства полимеров в современной промышленности, либо как составную часть синтез-газа (см. ниже).

3) CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂

Получившийся в результате этой реакции ацетилен (C₂H₂), являясь основным продуктом, выводится из зоны реакции. На основе ацетилена как исходного сырья имеются промышленно используемые технологии синтеза таких важнейших продуктов, как уксусная кислота, синтетический каучук, пластмассы, различные растворители и пр.

Гашеная известь (Ca(OH)₂) нагревом с отщеплением воды переводится в негашеную (CaO) и направляется на начало процесса:

4) Ca(OH)₂ = CaO + H₂O

Получившаяся в качестве побочного продукта вода может быть сконденсирована и направлена на третью стадию процесса.

Таким образом, итоговая реакция процесса, исключая побочную «фосгеновую» ветвь и реакции, связанные с восстановлением окиси кальция, который в реакциях является в принципе нерасходуемым, будет такой:

3CO₂ + H₂O = 3O₂ + CO + C₂H₂

Исходными веществами для процесса будут являться такие простейшие и распространеннейшие вещества (наличие воды на Марсе признано в настоящее время в научных кругах уже не подлежащим сомнениям), как углекислый газ (CO₂) и вода (H₂O), а продуктами будут являться кислород (O₂) (необходимый как непосредственно для дыхания, так и, к примеру, как окислитель для двигателей транспорта, как вещество для химического синтеза различных веществ и т. п.), угарный газ (CO) (который может быть превращен, к примеру, в фосген, который, в свою очередь, может использоваться как сырье для дальнейшего синтеза и т. п.) и ацетилен (C₂H₂), который является важным сырьем химического синтеза разнообразнейших веществ.

Так, одно из применений ацетилена заключается в производстве из него бензола (C₆H₆):

3C₂H₂ = C₆H₆

Также возможна полимеризация по другому пути — при пропускании ацетилена через раствор хлористой меди и хлорида аммония в соляной кислоте при 80 °С образуется винилацетилен, который в дальнейшем, при присоединении HCl, превращается в хлоропрен, применяемый для получения синтетического каучука.

При присоединении воды, протекающем при каталитическом действии солей ртути (реакция Кучерова), получается виниловый спирт, который изомеризуется в уксусный альдегид. Данная реакция имеет большое промышленное значение, т. к. уксусный альдегид является в технике веществом, которое в огромных количествах применяется для получения уксусной кислоты, этилового спирта и ряда других веществ.

Также ацетилен служит в промышленности исходным продуктом для синтеза таких растворителей, как, например, трихлорэтилен и т. д.

Химически чистый ацетилен в смеси с этиленом (данный газ именуется «нарцилен») может применяться в качестве наркоза при хирургических операциях.

Итак, данный вариант получения сырья для химического производства марсианской колонии позволяет наладить производство на месте столь важных веществ, как каучук, различные растворители, ароматические вещества (производные бензола), уксусная кислота и т. д., что, несомненно, должно представлять интерес при проектировании серьезного освоения Марса. Предполагается, что создание технологии цепочки производств, максимально автоматизированных и взаимосвязанных, должно являться одной из главных задач проекта освоения.

Возражением может служить тот момент, что реакции начального этапа требуют для своего осуществления больших количеств энергии. Однако, не имея на иных планетах (равно как и в трудных для жизни уголках нашей планеты) большинства доступных ресурсов, мы должны идти по пути их «замены», а точнее, создания с помощью других доступных ресурсов, имеющихся в наличии, тех, что нам требуются. Одним из таких базовых ресурсов должна стать энергия. (О ресурсах см. в части 4.)

В качестве таких источников могут выступать на первых порах атомные электростанции, привезенные с Земли, а в дальнейшем энергетика ТБС-поселений должна строиться на основе использования местных возможностей — к примеру, энергии ветра, солнца или перепада ночных и дневных температур и т. п. В любом случае колонии обязаны иметь мощную энергетику.

Другой из возможных вариантов использования углекислого газа как источника углерода для дальнейшего синтеза сложных веществ:

Этот вариант основан на каталитических превращениях синтез-газа.

Первичной реакцией этого варианта также будет реакция разложения углекислого газа (CO₂), протекающая при высоких температурах, но идущая до промежуточной стадии — образования угарного газа (CO). Ее можно представить следующим образом:

2CO₂ = 2CO + O₂

Данная реакция также требует больших затрат энергии.

Полученный кислород из реакционной зоны удаляется и идет на обработку его для дальнейшего использования, а угарный газ направляется на дальнейшее превращения.

Второй исходной реакцией данного варианта представляет собой реакция электролиза воды:

H₂O = H₂ + O₂

Кислород также удаляется из зоны реакции и идет для дальнейшего использования.

Таким образом, мы получаем синтез-газ. Меняя катализаторы и условия, из него можно получать самые разнообразные соединения, причем ряд реакций достаточно хорошо отработан в промышленности.

Так, в настоящее время применяют следующие каталитические процессы переработки синтез-газа (CO + H₂):

1) синтез метанола (катализатор — оксиды Cu — Zn — Cr):

CO + 2H₂ = CH₃OH

2) метанирование (катализатор Ni):

CO + 3H₂ = CH₄ + H₂O

3) синтез углеводородных смесей (процесс Фишера — Тропша) (катализатор Fe):

CO + H₂ = жидкие углеводородные смеси

4) синтез высших спиртов (катализатор Zn — Cr):

CO + H₂ = смесь метанола и высших спиртов

5) синтез альдегидов и спиртов гидроформилированием олефинов (катализатор Co или Rh):

RCH=CH₂ + CO + 2H₂ = RCH₂CH₂CHO

6) синтез органических кислот гидроксикарбонилированием непредельных соединений (катализатор Ni):

CH₂=CH₂ + CO + 2H₂O = CH₃CH₂COOH

7) синтез эфиров жирных кислот метоксикарбонилированием высших олефинов (катализатор Co):

RCH=CH₂ + CO + MeOH = RCH₂CH₂COOMe

Наиболее крупнотоннажным среди них является производство метанола. Метанол — многоцелевой полупродукт, из которого можно получить различные химические соединения. В промышленности освоены, например, синтез формальдегида (катализатор Ag или оксиды Fe — Mo):

CH₃OH + 1/2O₂ = H₂CO + H₂O

и получение уксусной кислоты (катализатор Rh):

CH₃OH + CO = CH₃COOH

Из формальдегида, в свою очередь, в химической промышленности производят массу других продуктов. Это мочевиноформальдегидные смолы, фенолформальдегидные смолы, бутандиол, ацетальные смолы, пентаэритрит, гексаметилентетрамин, меламинформальдегидная смола, мочевиноформальдегидные концентраты, хелатообразующие агенты и другие продукты.

Также представляются перспективными следующие процессы:

Гомологизация метанола в этанол (катализатор Co):

CH₃OH + CO + H₂ = CH₃CH₂OH + H₂O

(это к вопросу о получении топлива для транспортных средств, о чем говорилось выше)

Синтез низших олефинов из метанола на высококремнистых цеолитных катализаторах.

Синтез этиленгликоля:

CH₃OH = HOCH₂CH₂OH

Полагаю, приведенные примеры показывают, что организация химической промышленности в условиях минимума ресурсов принципиально возможна.

Впрочем, есть и еще один подход к проблеме. До сих пор часть сырья для химической промышленности производится с помощью определенных сельскохозяйственных производств. Примером могут служить плантации гевеи, дающие каучук. Представляется, что в условиях ТБС-поселений возможна различная комбинация тех или иных подходов, в зависимости от внешних условий и установленной эффективности различных производств.