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