Промышленный кошмар: почему терраформирование Марса может оказаться неподъемной задачей

Вячеслав Турышев, ведущий научный сотрудник лаборатории реактивного движения (JPL) NASA и профессор факультета физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) обнаружил, что полноценное озеленение Марса превратится в промышленный ад и растянется на сотни лет. Какие сложности в освоении Марса видит выпускник физфака МГУ и как предлагает их преодолеть?

Системный подход к терраформированию Марса

В статье в APS Journals ученый предложил детально рассмотреть терраформирование Марса, подсчитав затраты энергии, материалов и сложность инженерных решений, необходимых для достижения на Красной планете условий 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 мы опустили некоторые детали (в частности, сезонные и локальные колебания температуры и давления на Марсе), перевели некоторые единицы измерения СИ в более понятные среднестатистическому человеку. Это могло вызвать незначительную разницу с исходными данными, но не повлияло на глобальные выводы исследования.

Достижение уровня обитаемости на Красной планете разделено на стадии:

E0 — нынешний уровень. Давление в 0,006 земной атмосферы и средняя температура минус 63 °C.

Е1 — условия для жидкой воды на поверхности. Это важная инженерная точка. Мы пока не обсуждаем, как добыть саму воду, но надо будет нагреть планету и повысить давление выше тройной точки воды. Значит, давление на Марсе должно быть выше 0,006 атмосферы, а температура — более 0 °C.

Е2 — сельское хозяйство под куполом и паратерраформирование (терраформирование в отдельных закрытых помещениях). Внутри помещений давление должно поддерживаться в 0,1-0,3 атмосферы при земной температуре. Такие условия позволяют выращивать некоторые растения, человек способен работать внутри куполов без скафандра в кислородной маске, а от конструкций требуется меньшая прочность, чем при давлении в одну атмосферу. Куполу приходится выдерживать меньший перепад давления и температуры.

Е2,5 — самообеспечение. Это уровень терраформирования, при котором на Марсе будут самостоятельно полностью или частично обеспечиваться условия для жизни под куполами: вода, питательные вещества, укрытия, радиационная защита, кислород и тому подобное.

Е3 — жизнедеятельность без скафандра. Для достижения этого порога требуется повышение давления выше предела Армстронга — 0,06 атмосферы. При меньшем давлении кровь и жидкости просто вскипают в теле с летальным исходом. Примерно такое давление достигается на Земле на высоте 18 километров — для дыхания потребуется кислородная маска и проведение декомпрессии при возвращении в помещения с более высоким давлением.

Е4 — возможность свободного обитания на поверхности. Температура плюс 25 °C. Давление кислорода — 0,2 атмосферы, как на Земле. Еще 0,5-1 атмосферного давления должен добавить буферный газ (азот или аргон), потому что жить во взрывоопасной атмосфере чистого кислорода было бы безумием. Мы ведь помним, чем закончились подобные эксперименты для экипажа «Аполлон-1».

Цели поставлены, какие ресурсы и сроки потребуются для достижения?

Как создать давление?

Как ни странно, при создании атмосферы размеры Марса играют против нас. Он меньше и гораздо легче Земли, значит, притягивает в 2,5 раза слабее. Потребуется почти земная масса газовой смеси для создания атмосферного давления, хотя планета гораздо меньше.

Для поднятия давления на 0,001 атмосферы на Марсе нужен 3,9 × 10¹⁵ килограммов газа. Даже до предела Армстронга и уровня терраформирования Е3 понадобится завезти или добыть на месте 2,4 × 10¹⁷ килограммов газа. А для свободного дыхания необходимо 3,9 × 10¹⁸ килограммов. Вячеслав Турышев сравнивает это значение с массой небольшого астероида.

Но давайте проще: это больше половины массы атмосферы Земли, мы готовы отдать половину воздуха для терраформирования Марса? Найти нужный объем газа на месте тоже непросто — например, масса углекислого газа (СО2) в полярных шапках составляет около сотой доли от требуемой. Если его весь растопить, он даст давление всего в 0,02 атмосферы — ниже предела Армстронга. Выйдя без скафандра, человек погибнет на поверхности от кессонной болезни.

В качестве буферных газов хорошо бы подошли азот (N2) или аргон (Ar) — они достаточно инертны и не взаимодействуют с организмом человека. Азот также полезен для тех бактерий, которые фиксируют его из атмосферы для создания белков. Однако для получения давления хотя бы вполовину земного потребовалось бы примерно 1018 килограммов этих газов, а в атмосфере Марса они есть только в следовых количествах.

Возможно, азот можно найти в грунте — его соединения марсоход Curiosity обнаружил еще в 2015 году. Но остается вопрос в количестве этих веществ. Завозить их с Земли будет слишком дорого, даже если Starship снизит цену перелетов до стоимости топлива.

А если рискнуть и обойтись без буферных газов? Для дыхания на поверхности планеты в стадии Е4 требуется 10¹⁸ килограммов кислорода (O₂). Его можно производить прям на Марсе из воды или углекислого газа, но это огромное количество. Углекислый газ нам понадобится для нагрева Марса. Воду можно взять из ледяных шапок Марса, а также из подповерхностных озер. Существование последних пока только предполагается, самое многобещающее из них «закрыл» в 2025 году орбитальный зонд NASA.

Нагреваем Марс

Углекислый газ. Уровень Е1 терраформирования требует нагрева Марса хотя бы до 0 °C. Удобно, что льды на полюсах этой планеты содержат парниковый углекислый газ. Но даже перевод всего СО2 в полярных шапках в форму газа повысит среднюю температуру атмосферы менее чем на 10 градусов. И мы еще не говорим о требующейся для этого энергии. Поищем другие источники тепла.

Суперпарниковые газы. В 2024 году Naked Science предлагал для этого суперпарниковые газы. Вячеслав Турышев рассчитал применение конкретно перфторуглеродов. Уже в количестве несколько частей на миллион (десятитысячные доли процента от всей атмосферы) их молекулы запустят потепление. Кроме того, перфторуглерод отлично дополняет CO₂ и водяные пары по спектру поглощения в инфракрасном диапазоне: поглощает изучение на тех длинах, на которых его пропускает углекислый газ и вода — эта синергия усилит парниковый эффект. Беспокоящая экологов долговечность перфторуглеродов на Марсе будет преимуществом — меньше потребуется синтезировать перфторуглеродов для поддержания нужной концентрации в атмосфере.

Проблемой станет создание достаточного объема перфторуглеродов. Для глобального нагрева Марса необходимо 1012 килограммов перфторуглеродов, на создание которых уйдет 100 миллиардов тонн фтора. Даже на Земле сейчас добывают в 10 тысяч раз меньше фторсодержащих соединений, а есть ли они на Марсе в таких количествах — ответят только ксеногеологи в будущем. Даже при наличии необходимого объема сырья синтез нужного количества перфторуглеродов займет 100 лет при его синтезе на 100 фабриках, питающихся от мощных ядерных реакторов.

К сожалению, перфторуглероды не подойдут в качестве буферного газа, поскольку будут разрушать озоновый слой (из-за чего с их выбросами борются сейчас на Земле), а значит, лишат население Марса дополнительной защиты от радиации.

В результате вариант с перфторуглеродами не может быть основным —  быстро создать нужное количество малореально. Для перехода к фазам терраформирования Е3 и Е4 придется бороться за снижение их концентрации в атмосфере Марса так же, как сейчас на нашей планете.

Смесь CO2+Н2. Комбинация углекислого газа с водородом или некоторыми другими газами (метан, аммиак) даст более сильный парниковый эффект за счет столкновительно-индуцированного поглощения. При соударении молекулы этих веществ расширяют свою полосу поглощения и перехватывают ИК-излучение от поверхности планеты в более широком диапазоне.

Остается вопрос с поставками веществ. CO2-атмосфера становится эффективной при достаточно высокой плотности — от 0,5 до одной атмосферы. Ее надо дополнить 1-10% водорода, то есть добыть еще 1015 килограммов водорода. Хотя это значительное количество, водород, скорее всего, человечество на Марсе будет добывать в любом случае — хотя бы для получения кислорода из воды.

Недостаток водорода в том, что он легкий и быстро улетучивается в межпланетное пространство — примерно 1011 килограммов за год. Если учесть, что процесс терраформирования растянется столетия, придется все время восполнять эту потерю.

Для такой атмосферы необходимо добывать, синтезировать или привозить недостающий углекислый газ — имеющегося в полярных шапках в 50 раз меньше, чем хотелось бы. Критичный недостаток атмосферы — она опять токсична для человека и не подходит для стадии Е4.

Наночастицы. Необязательно создавать парниковый эффект газом. Турышев рассмотрел аэрозоли и наночастицы. Например, специально сконструированные наночастицы с характерными размерами девять микрометров будут рассеивать солнечный свет, но отражать ИК-излучение от поверхности планеты. При относительно небольшой массе в миллионы тонн (109 килограммов — в миллиард раз меньше, чем требуется парниковых газов) они смогли бы за 10 лет поднять температуру атмосферы на несколько десятков градусов — как минимум довести терраформирование до стадии Е1.

К сожалению, аэрозоли и наночастицы быстро рассеиваются в атмосфере, их запасы придется постоянно пополнять. К тому же производство миллионов тонн аэрозолей или наночастиц сложнее, чем синтез на порядки большего количества газов. Зато наночастицы можно производить из местного материала и не тратиться на логистику с Земли.

Турышев считает наночастицы самым перспективным способом для повышения температуры, но видит разумным их локальное применение, чтобы производство необходимых объемов не превратилось в ад. При этом их можно комбинировать с куполами или другими способами создания локальных условий для жизни на Марсе.

Орбитальные зеркала. Раз мы говорим о дальнем космосе, пора подняться над планетой.

Зеркала на орбите подогреют планету. Увы, на орбите Марса солнце слишком слабое — оно дает примерно 590 ватт на квадратный метр. Чтобы нагреть поверхность на 30 градусов (до минус 33 °С), потребуется добавить тепловой поток в 78 ватт на каждый квадратный метр планеты, а для достижения нулевой температуры — 191 ватт на квадратный метр.

В первом случае необходимы космические зеркала площадью семь миллионов квадратных километров. Во втором — уже 70 миллионов квадратных километров. Это циклопические конструкции для современной цивилизации, которая освоила только космические объекты размером до 100 метров.

Масса таких зеркал составит приблизительно 10 миллионов тонн — управлять подобной конструкцией на орбите мы еще не умеем. При этом их придется постоянно ремонтировать после устаревания элементов и выхода из строя из-за столкновения с астероидами. Скажем так: очень амбициозный метод терраформирования Марса, когда в космосе потребуются примерно такие же ресурсы, как на планете.

Дорогой кислород

Вы заметили, что в большинстве методов мы практически не считаем энергию, требуемую для осуществления процесса? Кроме того, в большинстве случаев добираемся до стадии терраформирования Е3. Дальше нужно заполнить атмосферу кислородом для дыхания. Источником газа может быть вода, которая содержится в полярных шапках и, возможно, подводных озерах. Только вот ее электролиз будет адски затратным.

Для «земного» давления кислорода на Марсе в 0,2 атмосферы требуется 1018 килограммов этого газа. Если найдется подходящий объем воды (примерно той же массы), электролиз потребует энергии порядка 1025 джоулей. Это равноценно выработке мощности 420 тераватт в течение года. И так на протяжении 1000 лет для создания устойчивой атмосферы и компенсации потерь на улетучивание кислорода в межпланетное пространство и окисление. По самым оптимистичным подсчетам, человечество за год сейчас вырабатывает 20 тераватт.

Терраформирование до стадии Е4 потребует выработки на Марсе в 20 раз больше энергии, чем вся Земля потребляет сейчас! Понятно, что при таких требованиях расходы на растопку полярных шапок или создание наночастиц — уже незначительные задачи. Но не стоит сдаваться.

Когда же город-сад?

Турышев рассмотрел различные способы терраформирования Марса и по итогу предупредил, что это задача на сотни и тысячи лет. Поэтому ученый предлагает идти поэтапно.

«Для атмосферы Марса, пригодной для дыхания, потребуются порядка 10¹⁸ килограммов кислорода и буферного газа плюс энергетика и промышленность цивилизационного масштаба. Поэтому мой главный вывод: если мы хотим реальной обитаемости на Марсе, начинать надо не с глобального терраформирования планеты, а с региональных и закрытых систем — защищенных зон, теплиц, локального управления температурой и давлением, работы со льдом, биосистем для пищи, кислорода и материалов. То есть сначала нужно строить обитаемые площади, а не пытаться сразу построить обитаемую планету», — объяснил он.

Самый долгий путь в тысячу лет надо когда-то начать. Уже сейчас мы имеем технологии для первой высадки на Марсе, а исследования Турышева и других ученых подсказывают, в каком направлении надо приступать к работе. Пусть Марс позеленеет!

Alexander Baulin

4 статей

Научный журналист, главный редактор ТГ-канала Pro Космос, автор статей про естественнонаучные открытия, технологии и венчур.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram