Терраформирование Марса: почему «подремонтировать» планету не получится ( 4 фото )
Превратить Марс в мир, пригодный для жизни без защитных куполов, — мечта, которая волнует человечество с тех пор, как стало известно о его суровой, бескислородной атмосфере. Сегодня главным энтузиастом этой идеи выступает Илон Маск, чья компания SpaceX планирует отправить первые миссии на Красную планету уже в 2028 году. Многие вспоминают его слова 14-летней давности о том, что Марс нужно лишь «подремонтировать», чтобы по нему можно было ходить без скафандра. Однако пропасть между первым полетом и прогулками по марсианскому городу-саду огромна. Пришло время оценить, сколько же на самом деле потребуется лет и ресурсов.
Как Марс преобразится после терраформирования / © SpaceX
Вячеслав Турышев, ведущий научный сотрудник лаборатории реактивного движения (JPL) NASA и профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), провел анализ, который показывает, что полномасштабное «озеленение» Марса превратится в настоящий промышленный кошмар, растянувшись на сотни лет. Какие же ключевые препятствия он видит на пути освоения планеты?
Системный подход к терраформированию
В своей статье в APS Journals ученый детально разобрал процесс терраформирования, подсчитав энергетические затраты, объемы материалов и сложность инженерных решений, необходимых для создания на Марсе условий, пригодных для жизни человека.
«Это исследование — не инструкция для первой экспедиции на Марс в ближайшие годы. И не план его быстрого превращения во «вторую Землю». Первые астронавты-ученые, когда бы они ни прилетели, будут работать в полностью инженерной среде: герметичные модули, скафандры, локальная энергетика, защита от радиации, производство ресурсов на месте. Но работа уже актуальна именно как инструмент выбора стратегии. Она показывает, какие сценарии физически и индустриально «закрываются», а какие — нет. Например, просто высвободить марсианский CO₂ недостаточно», — пояснил Турышев в комментарии для Naked Science.
Для простоты изложения некоторые детали (сезонные и локальные колебания температуры и давления) опущены, а единицы измерения переведены в более понятные. Это могло вызвать незначительную разницу с исходными данными, но не повлияло на глобальные выводы.
Первые работы на Марсе / © Иллюстрация из игры The Expanse: Osiris Reborn, Owlcat Games
Достижение обитаемости на Красной планете разделено на несколько стадий:
- E0 — текущее состояние: давление 0,006 от земного, средняя температура -63 °C.
- E1 — условия для существования жидкой воды на поверхности. Давление должно превысить 0,006 атмосферы, а температура — 0 °C.
- E2 — ведение сельского хозяйства под куполами (паратерраформирование). Внутри поддерживается давление 0,1-0,3 атмосферы при земной температуре, что позволяет выращивать растения и работать в кислородной маске.
- E2,5 — самообеспечение колонии: вода, питательные вещества, кислород и укрытия производятся на месте.
- E3 — возможность находиться на поверхности без скафандра. Давление должно превысить предел Армстронга (0,06 атмосферы), иначе жидкости в теле закипят.
- E4 — свободное обитание на поверхности с температурой +25 °C, давлением кислорода 0,2 атмосферы и буферным газом (азот или аргон) для предотвращения пожароопасности.
Проблема атмосферного давления
Размеры Марса играют против колонизаторов. Планета меньше и легче Земли, а значит, её гравитация в 2,5 раза слабее. Для создания необходимого давления потребуется почти земная масса газовой смеси, несмотря на меньший размер планеты.
Чтобы поднять давление на 0,001 атмосферы, требуется 3,9 × 10¹⁵ кг газа. Для достижения предела Армстронга (уровень E3) понадобится 2,4 × 10¹⁷ кг газа, а для свободного дыхания (E4) — 3,9 × 10¹⁸ кг. Турышев сравнивает последнюю цифру с массой небольшого астероида. Это больше половины массы всей атмосферы Земли.
Ресурсы на самой планете также ограничены. Масса углекислого газа в полярных шапках составляет лишь сотую часть от требуемой. Его полное испарение даст давление всего 0,02 атмосферы — ниже предела Армстронга. Азот или аргон, идеально подходящие в качестве буферных газов, присутствуют в марсианской атмосфере лишь в следовых количествах. Хотя марсоход Curiosity обнаружил соединения азота в грунте в 2015 году, их объемы остаются неизвестными. Доставка газов с Земли будет непомерно дорогой, даже с учетом снижения стоимости полетов Starship.
Если отказаться от буферных газов и использовать чистый кислород, для дыхания потребуется 10¹⁸ кг O₂. Его можно производить из воды или углекислого газа, но это колоссальный объем. Воду можно добыть из ледяных шапок или подповерхностных озер, существование которых пока под вопросом.
Первые здания марсианской колонии / © Кадр из сериала «Экспансия» / Alcon Television
Способы нагрева планеты
Углекислый газ. Для достижения уровня E1 требуется нагрев Марса хотя бы до 0 °C. Испарение всего CO₂ из полярных шапок повысит среднюю температуру менее чем на 10 градусов, что недостаточно.
Суперпарниковые газы. Использование перфторуглеродов (ПФУ) выглядит перспективно. В концентрации всего несколько частей на миллион они могут запустить мощное потепление, дополняя спектр поглощения CO₂ и водяного пара. Однако для глобального нагрева потребуется 10¹² кг ПФУ, на производство которых уйдет 100 миллиардов тонн фтора. Это в 10 000 раз превышает годовую добычу фторсодержащих соединений на Земле. Даже при наличии сырья синтез займет 100 лет на 100 фабриках, питающихся от мощных ядерных реакторов. Кроме того, ПФУ разрушают озоновый слой, лишая колонию защиты от радиации.
Смесь CO₂ + H₂. Комбинация углекислого газа с водородом (или метаном, аммиаком) создает более сильный парниковый эффект за счет столкновительно-индуцированного поглощения. Однако для этого требуется дополнительно добыть 10¹⁵ кг водорода. Водород очень легкий и быстро улетучивается в космос (около 10¹¹ кг в год), что потребует постоянного восполнения. К тому же, имеющегося в шапках CO₂ в 50 раз меньше необходимого, а сама атмосфера токсична для человека.
Наночастицы. Специально сконструированные наночастицы (размером около 9 микрометров) могут рассеивать солнечный свет и отражать инфракрасное излучение. При массе всего в миллионы тонн (10⁹ кг) они способны за 10 лет поднять температуру на несколько десятков градусов, достигнув уровня E1. Главный минус — они быстро рассеиваются, и их запасы нужно постоянно пополнять. Однако наночастицы можно производить из местного материала. Турышев считает этот метод самым перспективным для локального применения в сочетании с куполами.
Орбитальные зеркала. Для нагрева поверхности на 30 °C (до -33 °C) потребуются зеркала площадью 7 миллионов квадратных километров. Для достижения 0 °C — уже 70 миллионов квадратных километров. Масса такой конструкции составит около 10 миллионов тонн. Управлять ею и ремонтировать после столкновений с микрометеоритами современная цивилизация пока не умеет.
Энергетическая цена кислорода
Большинство методов позволяет добраться лишь до стадии E3. Для создания дыхательной атмосферы (E4) необходимо заполнить её кислородом. Его можно получить электролизом воды из полярных шапок. Для получения 10¹⁸ кг O₂ потребуется энергия порядка 10²⁵ джоулей. Это эквивалентно выработке 420 тераватт в течение года. Для создания устойчивой атмосферы и компенсации потерь на улетучивание и окисление такую мощность придется поддерживать 1000 лет. Для сравнения: вся современная цивилизация производит около 20 тераватт. Терраформирование до стадии E4 потребует в 20 раз больше энергии, чем потребляет вся Земля сегодня.
Ждем первых полетов на Марс — SpaceX тоже считает, что первые поселенцы будут жить в куполах. Это самое эффективное решение / © SpaceX
Долгий путь к городу-саду
Рассмотрев различные сценарии, Турышев пришел к выводу, что глобальное терраформирование Марса — это задача на сотни и тысячи лет. Ученый предлагает поэтапный подход.
Самый долгий путь в тысячу лет нужно когда-то начать. Уже сейчас существуют технологии для первой высадки, а исследования Турышева и других ученых указывают направление, в котором следует работать.
Стоит ли человечеству вкладывать ресурсы в терраформирование Марса сейчас, или это задача для далеких потомков, а нам нужно сосредоточиться на решении проблем Земли?