Терраформирование: как превратить другую планету в свою?

Терраформирование — это превращение той или иной планеты в пригодную для проживания людей. Зачем это нужно делать? С одной стороны, Циолковский уже давно ответил на этот вопрос, да и места в нашем тексте не бесконечно много. Сверхкраткое пояснение (избегающее повторов Циолковского) такое.

Виды, живущие в изолированных и ограниченных по размерам зонах (например, на островах), вымирают часто. Только за последние две тысячи лет таких исчезло более двух тысяч. Причина всегда одна и та же: на вашем острове могут появиться обстоятельства, которые сделают его непригодным для жизни. И тут вы либо заранее заселили больше одного острова, либо умерли — других вариантов просто нет. Рядом с Землей нет других островов в космосе, которые можно было бы заселить. Поэтому их придется создать. Создать из «островов», которые на данный момент — просто безжизненные скалы. И первый вопрос на этом пути: какие именно скалы в небе мы действительно можем заселить?

Что стоит терраформировать: самая лучшая цель недоступна

Обитаемая человеком планета должна удовлетворять тем требованиям, без которых ему в долгосрочной перспективе конец. Первое среди них — далеко не космическая радиация, уровень которой, как мы уже писали, безопасен даже на сегодняшнем Марсе. Важнейшее требование к обитаемой планете другое: сильная гравитация.

Мы родились и выросли при 1g, отчего наш организм приспособлен к ней идеально. Попав на орбиту, космонавты быстро начинают терять мышечную и костную массу. Это происходит даже несмотря на двухчасовые ежедневные тренировки. Причины легко понятны: в невесомости нагрузка на нас ничтожна, два часа тренировки, как и четыре, не отменят еще 20 «пустых» часов.

Потеря костной массы при любых тренировках не падает ниже 1% в месяц, 20 месяцев в таком стиле могут стать фатальными: потеря 20% костной массы смертельно опасна.

В этом смысле большинство небесных тел сразу теряют привлекательность для колонизации. Возьмем Цереру: казалось бы, идеальный объект, затраты топлива для полета туда — как при путешествии на Луну. Но сила тяжести в 30 с лишним раз меньше земной: деградации костей не избежать. Луна? Чуть лучше, но тоже сомнительно: 1/6 земной силы тяжести. Титан, с его плотной азотной атмосферой? Там 1/7 земной гравитации. Бессчетные астероиды? Все плохо, еще хуже, чем на Церере.

Идеальный кандидат по гравитации — Венера, 0,9 земного тяготения. Увы, прямое терраформирование там в обозримом будущем невозможно. Да, есть предложение доставить на ее орбиту астероиды, взрывать их там термоядерными бомбами, и созданной пылью блокировать солнечный свет, охлаждая планету. К сожалению, это мало что даст: даже охладив ее, выжить на поверхности не выйдет.

Идея терраформирования в более или менее современном виде впервые появилась в научной фантастике 1940-х, а затем — в научно-популярных статья Карла Сагана и касалась сначала Венеры (1961 год). План был прост: сбросить в местные облака споры микроводорослей, которые разложили бы углекислый газ на кислород и углерод (углерод упал бы вниз, кислород остался). Это снизило бы местный парниковый эффект и сделало Венеру прохладнее.

Предложения с современной точки зрения выглядят наивно. Микроводорослям нужна вода, с которой на Венере острый дефицит (впрочем, в 1961 году астрономы этого еще не знали). Да, теоретически к Венере можно подогнать миллион крупных комет, уронить их на планету под очень небольшими углами и дать нужное количество воды.

Вот только это огромная работа по перемещению крупных небесных тел: Земля имеет гидросферу из 1,3 квинтиллиона тонн воды (1 с 18 нулями). Венере потребуется тоже квинтиллион тонн даже без учета потерь в космос. Да, если предварительно охладить планету, взорвав перед ней астероид и закрыв от Солнца пылью, стратосфера не станет влажной и потери воды будут малыми, но что толку? Современная цивилизация просто не располагает такими средствами буксировки, чтобы переместить воду нужного объема из богатых кометами частей Солнечной системы ко второй из ее планет.

Но шестеренки в головах у ученых завертелись, и со временем вместо первых непрактичных предложений Сагана появились куда как более работоспособные.

Вторая по привлекательности цель: Марс

Вторым по простоте объектом для терраформирования в системе, безусловно, была, есть и будет четвертая из ее планет. Просто потому, что только у нее, единственной среди доступных нам в этом веке планет, наблюдается гравитация 0,38 земной и хоть какая-то атмосфера.

На первый взгляд это выглядит абсурдно: Марс в десяток раз легче Земли, атмосфера по плотности ниже в 160 раз, среднегодовая температура на планете — -64 против +15 у нас, жидкой воды на поверхности почти нет (давление такое низкое, что даже временные потоки почти везде и почти сразу выкипают). Что тут терраформировать?

Все тот же Карл Саган в 1973 году предложил концепцию для терраформирования и Марса. Он предлагал вывести растения, способные расти на местных полярных шапках, но имеющие темный цвет и за счет этого ведущие к растапливанию полярных шапок. Там немало сухого льда, то есть нынешняя довольно слабая марсианская атмосфера (1/160 земной по давлению) стала бы куда приличнее, а парниковый эффект от более плотной газовой оболочки нагрел бы Марс значительно сильнее нынешнего. Соответственно, заметная часть марсианского водного льда стала бы водой, началось выпадение осадков, появились бы водоемы.

План выглядел логично для Сагана в основном в силу неучета им биологических деталей (простительного для астронома): растения в самых холодных (полярных!) зонах Марса откровенно затруднялись бы с фотосинтезом даже местным летом: там слишком холодно.

Несколько лет назад в «Твиттере» Илон Маск полушутливо предложил реализовать сценарий Сагана, только растопить полярные шапки с помощью термоядерных взрывов. Ясно, что расчета он не проводил, потому что если это сделать, то окажется, что энергия даже миллиона ядерных арсеналов всей Земли для такой задачи не хватит.

Наконец, в 2018 году группа ученых NASA даже заявила, что никаких вариантов терраформирования Марса на самом деле нет. Согласно их работе, даже если растопить все полярные шапки Красной планеты, углекислого газа в них не хватит, чтобы поднять атмосферное давление и парниковый эффект до уровня, когда там можно было бы ходить без скафандра. Следовательно, нет шанса и на последующую высадку деревьев и наработку кислорода из углекислого газа. Все, приехали, Марс — вторая Венера, то есть планета без шансов на терраформирование?

И тем не менее путь есть. Дело в том, что критика сотрудников NASA опирается на недостаточные знания о реальном прошлом планет. Она основана на идее, что легкодоступный СО2 на четвертой планете есть только на полюсах: тех его запасов действительно для полного терраформирования не хватит.

Но некоторое время назад ученые проанализировали пузырек древней атмосферы марсианского метеорита. Изотопный анализ показывает, что он был выбит с поверхности Марса четыре миллиарда лет назад. Оказалось, что соотношение изотопов аргона-36 и аргона-38 в газах этого метеорита отличается от такого же соотношения в атмосфере современного Марса.

Казалось бы: и что это дает? А вот что: этого изменения не могло произойти если только атмосфера планеты не была в значительной степени связана ее грунтом и скальными породами. Поскольку эти изменения есть, мы совершенно точно понимаем: основная часть древней и плотной марсианской оболочки не улетела в космос, а оказалась связанной под поверхностью планеты.

Из анализа метеорита получается, что плотность местной атмосферы в прошлом была никак не ниже 0,5 современной земной. А если учесть связывание грунтом, то вероятнее всего была в диапазоне 0,9-1,8 современной земной.

То есть основная часть местной атмосферы не была потеряна в космос, как ученые считали еще недавно, а все еще находится на четвертой планете. Только связана либо ее реголитом (адсорбцией), либо скальными породами (как, например, углекислый газ в земных известняках).

Связанные реголитом газы можно высвободить. Нагрев образцов марсианской породы на борту «Кьюриосити» показал наличие как минимум окислов азота: это еще один газ древней марсианской атмосферы, связанный ее грунтом.

Но по мере увеличения глубины там с высокой вероятностью будет и связанный СО2. Это отмечала другая группа ученых NASA еще в 1977 году, констатируя, что на поверхности Марса явные следы жидкой воды, которая там сегодня выкипела бы из-за очень низкого давления или замерзла из-за холода. Очень странные колебания климата вида «холодный Марс — теплый и влажный Марс» происходили не один раз. И их крайне трудно объяснить как-то иначе, чем наличием на планете большого объема СО2, связанного грунтом.

И тем не менее само наличие в атмосфере Красной планеты углекислого газа еще не гарантирует успеха. Во-первых, нам все еще трудно оценить, сколько его там. Все 0,9-1,8 атмосферы, что были у молодого Марса? Половина? Четверть? Это можно установить только серией бурений на месте. Во-вторых, остается самое сложное: нагреть планету достаточно, чтобы этот углекислый газ потерял связь с марсианским реголитом и вышел на поверхность.

Как нагреть целый мир

Человечество хорошо знает, что некоторые газы нагревают атмосферу в тысячи и десятки тысяч раз лучше других. Например, элегаз (SF6) и тетрафторид углерода (CF4) в условиях Марса дадут в 20-30 тысяч раз более сильный парниковый эффект, чем то же количество углекислого газа. За это такие газы называют суперпарниковыми.

Что очень важно: на четвертой планете полно сырья для их производства. Фторид кальция (СаF2) в местном грунте весьма распространен, поэтому 1-2% местного реголита по массе — это фтор. Это радикально выше, чем в земном грунте. Сера и углерод на поверхности планеты еще более распространены. Следовательно, там можно произвести хоть сотни триллионов тонн.

Но столько не надо. Расчеты другой научной группы из NASA показывают, что достаточно примерно пяти миллиардов тонн, чтобы на планете стало теплее на дюжину градусов. После этого стабильность углекислого газа в полярных шапках и грунте будет потеряна, он начнет испаряться и на Марсе наступит так называемый взрывной парниковый эффект — состояние, которого ученые когда-то опасались для Земли. По ряду оценок ученых, этот парниковый эффект позволит добиться там средней для планеты температуры до +15. Цифра большая — как на современной Земле. Причина достижимости такой температуры в том, что хотя Марс и дальше от Солнца, там будет существенно больше парниковых газов, которых в земной атмосфере минимум.

Это не очень простое дело: помимо работников, обеспечивающих производство 100 миллионов тонн суперпарниковых газов на протяжении 50 лет, потребуется еще как минимум несколько десятков гигаватт постоянно работающих электростанций, потому что производство тертрафторида углерода и его аналогов — эндотермический процесс, то есть идет с поглощением теплоты. Подойдут только АЭС, потому что СЭС на Марсе стабильного энергоснабжения не дадут. Но в принципе, 20 гигаватт АЭС в той же России вполне есть, величина подъемная.

А как там дышать?

Другое узкое место: кислород. Чтобы получить его в разумных объемах, нужно завезти на Марс фотосинтезирующие организмы. В земных лабораториях лишайники и мхи уже показали возможность расти при температурах и давлении как на Марсе. После запуска взрывного парникового эффекта в местах (таких немало), где под марсианской поверхностью лежит близкий водный лед, появится и вода.

Но дело в том, что мхи и лишайники — не самые быстрые фотосинтетические организмы. Это и логично: они очень много энергии тратят на выживание в сложной среде. Быстро ими кислород не наработать. Ситуации могут помочь деревья: как мы недавно уже отмечали, некоторые из них могут расти даже при низком содержании кислорода. Однако и до этого содержания сперва надо как-то дойти. Не исключено, что люди начнут использовать для достижения этого минимального уровня кислорода хлореллу или какие-то подобные по качествам организмы, размножающегося на заводах с большими емкостями подсоленой воды.

Затем для массовой высадки деревьев надо будет как-то подготовить почву, в чем большую роль сыграют как раз те лишайники и мхи (они способствуют появлению хотя бы минимально пригодных для высших растений почв). И тем не менее даже после массовой высадки деревьев пройдет не менее тысячи лет до момента, когда дышать на Марсе станет можно без кислородного баллона.

Впрочем, ходить по нему без скафандра в таком сценарии будет реально уже через сто лет. Через десятки лет после запуска взрывного парникового эффекта на Марсе будет давление и средняя температура как в земном высокогорье, выше восьми километров. То есть проблем с низким давлением будет мало: обычный кислородный аппарат позволит нормально ходить по поверхности.

Напрашивается очевидный вывод: терраформировать Марс можно, но это будет античное приключение. От старта процесса до хождения без скафандра, но с кислородной маской потребуется лет сто. До момента, когда можно будет ходить без маски, — тысяча лет. Стоит ли овчинка выделки? Заранее сказать нельзя: не попробуешь — не узнаешь. Но шансы на запуск такого процесса, как ни странно, все же есть. Маск ведь не для туризма планирует строить миллионную колонию на Марсе.

О каком терраформировании вообще может идти речь — ведь нигде, кроме Земли, нет магнитного поля?

По опыту зная типичные реакции русскоязычной аудитории, мы должны выделить этот раздел, чтобы снять первое и самое частое заблуждение о терраформировании. Оно таково: чтобы поверхность небесного тела стала обитаемой на земном уровне, там нужно магнитное поле. Сторонники этой точки зрения говорят: нет смысла поднимать плотность атмосферы на Марсе, потому что всю эту атмосферу просто сдует в космос солнечным ветром. А еще магнитосфера, считают сторонники такой точки зрения, защищает нас от губительной космической радиации, поэтому без магнитного поля планета не может поддерживать сложную жизнь.

Дело обстоит совсем не так: даже на Земле раз в несколько десятков тысяч лет магнитное поле падает чуть ли не до нуля, по современным меркам. Тем не менее и наш вид, и все остальные это вполне спокойно переживают. Причина: космическая радиация далеко не такая сильная, и атмосфера защищает от нее ничуть не слабее магнитного поля.

Точно так же магнитное поле не нужно для поддержания плотной атмосферы. На Венере и Титане вообще нет глобального магнитного поля. Тем не менее их атмосферы в 90 и в четыре раза плотнее земной. Даже одного только азота в венерианской атмосфере вчетверо больше, чем в земной (хотя планета-то меньше, а гравитация у нее — слабее). То есть даже относительно легкие газы вполне удерживаются в атмосфере миллиарды лет подряд без какого-либо магнитного поля. И даже если солнечный ветер «дует» на небесное тело существенно сильнее, чем на Землю, не говоря уже о Марсе.

А что же другие небесные тела Солнечной системы? Неужели никаких надежд?

Часто можно услышать: зачем концентрироваться на проблеме гравитации? Почему бы людям будущего не оснастить колонии на астероидах компактными центрифугами?

Разработки таких центрифуг уже проводились: СССР, готовясь к полету на Марс в 1970-х, дал людям пожить внутри компактной центрифуги. Проблема оказалась в том, что центрифуга будет либо большой, либо ходить там не выйдет. Иначе разница в ускорениях между разными частями тела будет слишком некомфортной для людей. В таких центрифугах можно спать, но работать надо вне их. А значит, тела совсем без гравитации не подходят.

Да, есть теоретический выход: люди могут жить на цилиндрах Кларка, о которых мы писали здесь. Это колоссальные цилиндрические конструкции, работающие как гигантские центрифуги. Внутри них вполне реально иметь гидросферу и атмосферу, сады и парки. Джефф Безос, владелец Amazon и Blue Origin, даже предпочитает их заселению Марса.

Но мы не склонны переоценивать перспективы этого варианта. Людям нравятся планеты. Цилиндры Кларка могут быть неплохими колонизационными ковчегами для сверхдлительных полетов в другие звездные системы, своего рода «кораблями поколений». Но долгосрочная любовь к таким местам сомнительна. Исторически наш вид склонен осваивать новые земли, а не тесниться на искусственных кораблях тысячи лет подряд.

Похоже, что если мы хотим терраформировать другую планету, мимо марсианского античного приключения нам не пройти.