Возможность терраформирования Красной планеты

Терраформацию Марса следует понимать как процесс последовательного изменения климата, поверхности и других характеристик. Цель вмешательства — сделать небесное тело максимально пригодным для обитания человека и облегчить процесс колонизации. С этой целью учеными предложено несколько способов изменений. Некоторые методы являются технологически достижимыми, но требуют ресурсных и финансовых трат.

Красная планета — первый в списке кандидат на колонизацию по следующим причинам:

• небольшая площадь поверхности (28,3% от земной) и близкое соседство с Землей;
• достаточное количество получаемой энергии от Солнца (43% от земного объема);
• гравитационное притяжение (треть земного);
• смена времен года;
• наклон оси вращения — 24º (у Земли — 23,5º);
• время оборота вокруг оси — 24 часа 37 минут (земное — 23 часа 56 минут).

Марс. Практическое пособие по терраформированию для домхозяек

Доброго конца недели, хабралюди! Как было заметно из прошлых статей, посвящённых Марсу и околомарсианской тематике, тема хардкорной колонизации Марса будоражит умы многих неравнодушных граждан. Если ты из тех самых граждан и увидеть цветущие под марсианским небом яблони — для тебя вопрос принципа, то заходи.

Итак, представим, что одним прекрасным утром, человечество проснулось и решило стать мультипланетарной цивилизацией. Как по мне, это хорошая, годная идея. Я очень хотел-бы жить в мире, где баснословные деньги идут не на разработку оружия, а на колонизацию космоса. Но вернёмся к нашей теме: человечество решило соорудить себе Землю 2.0. У нас не так много кандидатов. Строго говоря, два: Марс и Венера. В этот раз мы поговорим именно о Марсе.

Многие скажут: «Ах, Марс — он так похож на Землю! Немного подшаманить и можно заселяться!» Да, у Марса практически такой же наклон оси вращения, как и у Земли. Да, продолжительность марсианских суток практически такая-же как и земных. И на этом положительные, для нас, преимущества Марса заканчиваются и начинаются ГИГАНТСКИЕ проблемы. И одна из целей этой статьи состоит в том, чтобы донести до людей немного нерадужное положение вещей относительно Марса.

Чтобы понять, с какими трудностями придётся столкнуться человечеству, решившему терраформировать целую планету, достаточно представить странную ситуацию. Представим себе, что в пустыню Сахару прилетел финский миллиардер. Побродив по пескам и не увидев ничего интересного на тысячи километров вокруг, наш герой приуныл. А ещё и жара, а ещё и сухость — северные люди к такому не привыкли. И вот, финна посещает идея построить в этом недружелюбном месте небольшой кусочек Финляндии, площадью несколько тысяч квадратных километров. Финну хочется, чтобы были скалистые горы, поросшие сосновыми лесами, в которых жили северные олени и медведи. Чтобы в холодных водах озёр можно было половить корюшку. Ну и, конечно, неплохо было-бы построить несколько небольших финских городков. Но есть проблема: вокруг, на многие тысячи километров, нет ничего, кроме барханов из песка. То есть, абсолютно всё: камни для скал, сосны, оленей, медведей, корюшку, воду для рек и озёр — придётся привезти издалека. А ещё решить большую проблему с климатом, который совсем не похож на финский. Если вы смогли представить себе вот это вот всё, то знайте: финляндизировать кусок Сахары бесконечно проще и дешевле, чем создать копию земных условий на целой планете Марс.

По моим наблюдениям, люди часто не осознают до конца смысл такого понятия, как «терраформирование». Читая комментарии многих обывателей, относительно терраформирования Марса, создаётся устойчивое ощущение того, что для многих, преобразование целой планеты — немногим сложнее постройки сортира на даче. Хочу разочаровать тебя, землянин: затевая ремонт планетарного масштаба, ты сталкиваешься с проблемами планетарного-же масштаба. Некоторые всерьёз полагают, что если поднять марсианское атмосферное давление до такого уровня, что можно ходить без скафандров, то наступит благодать, вот тогда и заживём. Неа, не заживём. При терраформировании, атмосферное давление — это один нескольких моментов, хотя и очень важный. Ведь вся суть терраформирования — создание условий, близких к земным, а это не только атмосфера с её давлением и газовым составом, но и гидросфера, но и биосфера. Когда повар готовит обед на сто персон, то, зная сколько продуктов уйдёт на одного человека, он сможет просчитать: сколько ингредиентов ему понадобится на сто человек. Если каких-то ингредиентов сильно не хватает, то обед не приготовить и всех не накормить. С терраформированием всё то же самое. Земная жизнь, в том виде, в котором мы её знаем, существует именно благодаря тому, что состав и количество ингредиентов для её существования именно таковы, каковы они есть. На Марсе всё сильно иначе. Имеющихся марсианских ресурсов явно недостаточно. Зная, сколько тонн воды и атмосферы приходится на квадратный километр земной поверхности, мы можем просчитать: сколько именно нам необходимо добавить на Марсе, чтобы достичь таких же показателей.

Технологии

Но мы не из робкого десятка и твёрдо убеждены, что жить под куполами из стекла и стали — не наш путь. И прежде чем мы приступим, хотелось-бы оговорить уровень технологий, которыми, по логике вещей, должно владеть человечество на момент начала преобразования Марса.

Мы (скорее всего) НЕ УМЕЕМ:

1. Перемещаться со скоростью, близкой к скорости света.
2. Создавать порталы сквозь пространство для перемещения людей и грузов.

Мы УМЕЕМ:

1. Использовать энергию ядерного синтеза.
2. Добывать сырьё вне пределов Земли (астероиды, луны, планеты) и перерабатывать его.
3. Строить поселения в открытом космосе, вдали от Земли.
4. Создавать замкнутые, самоподдерживающиеся экосистемы в космических поселениях.
5. Строить гигантские структуры в открытом космосе, позволяющие эффективно использовать энергию солнца.
6. Строить заводы вдали от земли, способные производить автоматические межпланетные станции, роботов, двигатели и многое другое.
7. Создавать продвинутые системы искусственного интеллекта, способные управлять разработкой полезных ископаемых на астероидах, строительством станций, заводами, расположенными в дальнем космосе.
8. Строить космические лифты и/или прочие экономичные системы доставки грузов на орбиту.
9. Перемещаться по солнечной системе быстрее, чем сейчас. Используя ядерные реактивные двигатели, или другую прогрессивную технологию.

Совершенно очевидно, что данный уровень технологий — не вопрос пары десятилетий. По самым оптимистичным прогнозам, мы сможем достичь чего-то подобного не раньше второй половины этого века, если не позже.

Магнитосфера

Да, я понимаю, что в комментариях мне выскажут, что магнитосфера не нужна и будет достаточно плотной атмосферы. Но согласитесь: магнитосфера, всё-таки, замедляет процесс улетучивания атмосферы в космическое пространство. В случае с Марсом, это немаловажный момент. Да и земная жизнь приспособлена к жизни в магнитном поле. А на Марсе, грубо говоря, магнитосферы нет. Солнечный ветер невозбранно выдувает остатки атмосферы, а высокоэнергетические частицы радостно долетают из космоса до самой поверхности марсианской пустыни. Вопрос с магнитосферой можно решить, как минимум, двумя способами. О первом совсем недавно писали, в том числе, и на Хабре: создание искусственного магнитного щита. Это достаточно бюджетный вариант и если это сработает, важно, чтобы эта система работала без перебоев. (Хотя, если честно, для меня не совсем понятно: как можно будет долговременно поддерживать магнитный зонтик на стабильной орбите, если он будет постоянно взаимодействовать с большим потоком заряженных частиц от Солнца. Это же, по сути, огромный электромагнитный солнечный парус.)

Второй вариант — попытаться оживить марсианскую магнитосферу. Сделать это будет оооочень непросто, если возможно вообще. Но я специально рассмотрю эту идею, дабы читателю был понятен масштаб работ, которые нужно провести над Марсом. Смысл идеи состоит в том, чтобы собрать на марсианской орбите массивный спутник, вызывающий приливы в ядре планеты и, таким образом, запустить планетарное динамо. Это безумно затратно, но если сработает, то даст некоторые бонусы:

1. Не надо беспокоиться о том, что магнитное поле выключится от попадания метеорита в спутник, поддерживающий искусственный магнитный щит.
2. Возможно пробуждение марсианского вулканизма, что благоприятно скажется на подпитке атмосферы вулканическими газами.
3. Это реально надолго и не требует обслуживания.
4. Это стабилизирует угол наклона оси вращения Марса.
5. Если всё правильно реализовать, то вполне реально получить лунные циклы, аналогичные земным.
6. У марсианских астрологов наступит новая эра в составлении астропрогнозов. Три луны на небе! Три.

Можно рассчитать параметры такого спутника. Если представить, что он абсолютно пропорционален земной Луне, то при плотности вещества аналогичной лунной, его масса составит примерно 7,9×10¹⁸ тонн, а диаметр — приблизительно 1650 км. Чтобы понять насколько это много, можно представить, что этот спутник будет весить как 21.643.835.620.000.000 небоскрёбов «Эмпайр Стейт Билдинг», а его диаметр — это расстояние от Берлина до Кишинёва.

Далее по тексту будут ещё цифры, обозначающие массу и диаметры. И если вы всё ещё не прониклись масштабами вещей, о которых мы тут рассуждаем, то вот вам ещё аналогия:

Представим, что мы хотим построить на орбите Марса марсианскую луну, подняв строительный материал с поверхности Марса. Представим, что у нас есть ракета, которая может забросить на нужную орбиту 100 тонн полезной нагрузки. Представим, что каждый час мы отправляем 10 таких ракет. Мы делаем это постоянно, 24 часа в сутки. Для завершения проекта нам понадобится всего-лишь 900 миллиардов лет.(Заранее хочу предупредить, что все используемые мною аналогии достаточно условны и вполне возможно, что к моменту когда человечество всерьёз возьмётся за терраформирование планет, у него будут технологии, позволяющие относительно просто перемещать массивные космические глыбы.)

Впечатляет? Дальше будет ещё интереснее.

Атмосфера

Мы всё ещё хотим запилить на Марсе условия, аналогичные земным. Мы стоим среди марсианской пустыни и мечтаем о садах, подобно финну, стоящему посреди Сахары и мечтающему о Финляндии и корюшке. Но, в отличие от финна, у нас есть очень серьёзная проблема: нечем дышать. И на Марсе нет столько газов, чтобы создать плотную атмосферу, пригодную для дыхания. Фактически, марсианская атмосфера ненамного плотнее вакуума. А значит, надо инвентаризировать то что имеется и завезти недостающее. На Марсе, на квадратный километр поверхности, приходится 173 тысячи тонн газов, 95% которых составляет диоксид углерода. Если мы хотим, чтобы «всё было как на Земле», значит на каждый квадратный километр поверхности нам нужно 10 миллионов тонн газов, 22% которых составляет кислород, а 78% — азот. Что? Азот не нужен, обойдёмся СО2 или другим газом? Увы, нет, не обойдёмся. Азот делает атмосферу более нейтральной и стабильной. Азот не так активно фиксируется биосферой, как оксид углерода. Кроме того, атмосферный азот, вовлекаясь в биохимические реакции, является неотъемлемой составляющей подавляющего большинства молекул, из которых состоит известная нам жизнь. Ядром любой аминокислоты, образующей белковые структуры, является молекула азота. А насколько часто азот встречается в молекуле ДНК, можно увидеть на иллюстрации ниже (азот там закрашен синеньким). Так что, нет азота — нет жизни!

Вот мы и определились с тем, что и чего нам надо по атмосфере. А теперь, давайте представим себе: сколько это? По приблизительным расчётам, в атмосферу Марса надо добавить 1.432х10¹⁵ тонн газов или азотно-кислородный ледяной шарик диаметром 140 км. В этот раз, чтобы понять насколько это много, мы воспользуемся Межпланетной Транспортной Системой от SpaceX и их Big Falсon Rocket, позволяющей доставить на Марс 150 тонн полезной нагрузки. (Привет, Илон!) Представим, что мы отправляем на Марс по 10 ракет в час, 24 часа в сутки, на протяжении бесчисленных лет. Мы возим азотный и кислородный лёд — так оно занимает меньше места. На наполнение атмосферы Марса нам потребуется всего 109 миллионов лет. Так что, до высадки яблонь на Марсе доживут не все. Вернее, не только лишь все. Мало кто сможет это сделать.

Но и это ещё не всё!

Гидросфера

Несмотря на содержащиеся в Википедии данные о том, что растопленный марсианский лёд смог-бы покрыть Марс океаном глубиной 35 метров (если эту воду распределить равномерно), спешу расстроить многих: Марс исключительно сухая планета. Если распределить равномерно по поверхности Земли всю земную воду, глубина мирового океана составит 2,7 километра. Несмотря на вышесказанное, земные пустыни достаточно обширны. В случае же с Марсом, даже если очень сильно поднять атмосферное давление, воду можно будет наблюдать только в виде полярных шапок, ну и снега на вершине Олимпа. Так что, таки да: воду тоже придётся везти извне. И количество воды, которое нужно будет доставить на Марс, не идёт ни в какое сравнение с количеством атмосферных газов.

В среднем, на квадратный километр земной поверхности, приходится примерно 2,6 миллиардов тонн воды. Чтобы довести на Марсе это соотношение до земного, потребуется доставить на планету 3,27×10¹⁷ тонн воды. Это ледяной шарик диаметром примерно 900 км. То есть, тело сопоставимое по размерам с Церерой. И это печально, ведь воду на Марс нам придётся возить гораздо дольше, чем атмосферу: по массе, недостающая гидросфера примерно в 230 раз тяжелее недостающей атмосферы. Думай, Илон Маск!

Биосфера

Масса земной биосферы составляет порядка 2,4 триллионов тонн. Иными словами, это, в среднем, 4700 тонн на квадратный километр. В пересчёте для Марса, это будет примерно 680 миллиардов тонн. С одной стороны, это очень немного и этим можно было-бы пренебречь. Но, с другой стороны, не совсем понятно: сколько необходимых для жизни химических элементов содержат марсианские породы и что (и сколько) нужно добавлять? На данный момент, исследовательские данные по химическому составу марсианских пород неполны. Если предположить, что плотность биомассы равна плотности воды, то потенциальную марсианскую биомассу можно было-бы уместить сферу, диаметром 11 километров (если считать один кубометр биосферы равным по массе одному кубометру воды).

Подведём итоги наших марсианских дефицитов следующей иллюстрацией:

Вместо послесловия

Возможно, я расстрою этой статьёй некоторых граждан, оптимистично настроенных в отношении ближайшего терраформирования Марса. Даже наши далёкие потомки не увидят яблони, цветущие под голубым марсианским небом. Можно бесконечно фантазировать о том, как мы будем взрывать термоядерные заряды на полярных шапках Марса. Или засевать экваториальные области генетически видоименёнными бактериями и лишайниками. Или греть планету гигантскими орбитальными зеркалами. Но суровая реальность такова: невозможно построить дом, не имея стройматериалов. А на Марсе пока и близко нет всего необходимого для создания условий и биосферы похожих на земные. Я не призываю отказаться от мечты терраформировать Марс, скорее, наоборот. Уж если мы серьёзно намерены стать биологическим видом, вышедшим за пределы своей колыбели и научиться делать благоприятными для нашего проживания условия на других планетах, то нам крайне важно осознавать всю сложность этой затеи. Я считаю это необходимым шагом на пути к нашей цели. Ведь только тогда мы сможем создать инструменты, которые позволят нам достичь этой самой цели. А ещё, человечеству надо учиться планировать на тысячелетия, а не жить ради быстрой выгоды. Правда, это уже тема для совсем другого разговора.

И в качестве утешительного приза, предлагаю всем неравнодушным полюбоваться чудесными рендерами терраформированного Марса. Аминь!)

Сделать Марс пригодным для жизни

Гигантские орбитальные зеркала

Заполнив среду Марса достаточной концентрацией O₂, необходимо также сделать его теплее. Как уже упоминалось ранее, при средней температуре -63 °C, на красной и холодной планете слишком холодно. Исследователи, работающие в НАСА в 1993 году, предложили способ разогреть Марс. Они предложили построить гигантские орбитальные зеркала, отражающие солнечный свет на поверхность. Идея заключалась в том, чтобы перенаправить солнечный свет, стратегически разместив гигантские орбитальные зеркала над Марсом и вокруг него. Подумайте об этом методе, как о больших зеркалах, используемых Архимедом для уничтожения вражеских кораблей, используя тепло от солнечного света. По оценкам исследователей, с помощью этой стратегии даже замороженная вода (лед) на планете будет растоплена, что даст нам воду – еще один важный элемент (воду) для нашего выживания на чужой планете.

Парниковые газы

Еще один способ согреть планету – использовать парниковые газы. Да, те печально известные газы, которые вызывают глобальное потепление на нашей планете. Понимаете, ключевое слово здесь – «потепление». Парниковые газы в силу своей природы отлично удерживают тепло в атмосфере и тем самым повышают температуру. А на Марсе мы именно этого и хотим. Другими словами, наш злодей на Земле может стать нашим героем на Марсе! Эксперты предполагают, что парниковые газы сгущают марсианскую атмосферу, повышают температуру поверхности, а также защищают планету от избыточного космического излучения.

CO₂ – самый распространенный парниковый газ на нашей планете, поэтому возникает вопрос: достаточно ли CO₂ на Марсе, чтобы уплотнить атмосферу?

Атомная бомба на полюсах

Полюса Марса, как и Земли, покрыты толстым слоем льда. Многие эксперты, в том числе основатель SpaceX Илон Маск, утверждают, что ядерная бомбардировка полюсов Марса высвободит значительное количество CO₂, который в настоящее время задерживается в атмосфере, а также сублимирует лед в воду.

Марсианский грунт

Другим хорошим источником для добычи CO₂ была бы марсианская почва, богатая углеродом, но ее сложно извлечь. Богатый углеродом минерал на поверхности Марса необходимо нагреть до нескольких тысяч градусов, прежде чем он выпустит свой CO₂.

Площадь поверхности Марса составляет около 144 миллионов квадратных километров, поэтому нам потребуются миллиарды тонн газа, чтобы полностью покрыть Марс. Энергия, необходимая для этого, была бы почти невероятной. Это означало бы построить и запустить на Марсе гигантские атомные электростанции в течение нескольких десятилетий, чтобы наполнить Марс парниковыми газами, достаточными для нагрева его поверхности.

Аэрогель

Еще один элемент, который может сыграть важную роль в удержании тепла на Марсе, – это аэрогель. Аэрогель – один из самых легких материалов, известных человеку. Аэрогель – это твердое вещество сверхнизкой плотности, которое на 99% состоит из воздуха! Это также хороший изолятор, поэтому он используется в нынешней миссии марсоходов НАСА.

Гарвардский исследователь Робин Вордсворт в недавно опубликованной статье продемонстрировал, как аэрогели можно использовать на Марсе. Вордсворт зажег лампу, чтобы имитировать марсианский солнечный свет, падающий на аэрогель.

Гарвардский исследователь Робин Вордсворт в недавно опубликованной статье продемонстрировал, как аэрогели могут быть использованы на Марсе. Вордсворт зажег лампу, имитируя марсианский солнечный свет, падающий на аэрогель. Сделав это, он смог сохранить поверхность под аэрогелем теплой, до 65 °C. Он утверждает, что этот тип аэрогелевого покрытия поможет задерживать тепло в атмосфере Марса.

К сожалению, аэрогель не идеален. Он довольно хрупкий, и производить его в больших количествах было бы чрезвычайно сложно.

Кометы

Да, есть еще один явно жестокий способ терраформировать Марс . встречные кометы!

Кометы – богатый источник азота, кислорода и водорода – элементарных компонентов, необходимых для атмосферы земного типа. Если бы мы могли найти способ перенаправить кометы и заставить их разбиться о поверхность Марса, в марсианскую атмосферу попало бы большое количество азота и кислорода.

Тем не менее некоторые эксперты предупреждают об опасности этого. Они утверждают, что бомбардировка Марса кометами будет разрушительной. Это уничтожит все свидетельства существования жизни, которые мы не обнаружили, и уничтожит первозданные геологические данные Солнечной системы, которые мы больше не можем найти на Земле.

Планеты разные, а правила для всех одинаковые?

Различия между Венерой, Марсом и Землей на первый взгляд довольно очевидны. На одной слишком жарко, на другой слишком холодно, третья же в самый раз подходит человеку. Но, по большому счету, все они — лишь каменистые планеты среднего размера. Модели климатических изменений, разработанные на Земле, могут с большой вероятностью работать и на других планетах — надо лишь учесть различия в толщине атмосферных слоев, размеры и относительную близость каждой планеты к Солнцу. Однако некоторые аспекты марсианского климата остаются для исследователей загадкой.

«Данные, полученные с помощью роверов, показывают, что на планете была жидкая вода около 4 миллиардов лет назад. Если вернуться в прошлое, то на Марсе обнаружится большое количество озер и рек, могущих выполнять ту же важную для жизни функцию, что и земные. Но вот загадка: если у вас раньше были большие массивы жидкой воды, а сейчас нет, то что же произошло с атмосферой планеты?», задается вопросом Чаффин. Здесь-то на помощь и приходит MAVEN. Зонд НАСА вращается вокруг планеты с 2014 года, исследуя состав ее атмосферы и радиационный фон. Исследователи пытаются выяснить, что привело к резкой потере значительной части атмосферы в прошлом. «Марс теряет 180 грамм заряженных атмосферных частиц в секунду. Этого достаточно, чтобы за всю историю Марса исчезла вся текущая, тонкослойная атмосфера, но это не объясняет потерю раннего, более плотного атмосферного слоя», говорит ученый.

Терраформирование Марса

На данный момент Марс — главный кандидат на терраформирование. Изначальные условия планеты подходят под большинство критериев и ученые уже начинают продумывать, как будет выглядеть жизнь на ней. Живых организмов на Марсе пока не обнаружено, но по информации, которую удалось получить благодаря исследованиям поверхности, понятно, что планета благоприятна для зарождения и поддержания жизни.

На планете сильные перепады температур — от экстремально морозных до экстремально горячих, но в теории развитие технологий способно на это повлиять и установить комфортную погоду. Илон Маск предлагает при помощи термоядерного удара создать два «крошечных солнца», которые нагреют углекислый газ и благодаря парниковому эффекту будут поддерживать комфортное тепло на Марсе.

Главная проблема при терраформировании Марса заключается в том, что на планете отсутствует магнитное поле. Согласно научной статье на Science Advances, в первые 700 лет существования «красной планеты» на ней было мощное магнитное поле и, вероятно, она была сильно похожа на Землю. Но примерно 3,6 млрд лет назад планета превратилась в безжизненную пустыню. Возможно ли это поменять — пока неизвестно. Ученые предлагают дождаться первых полетов человека на Марс и только после тщательного изучения начинать дебаты об освоении.

Проблемы при терраформировании Марса

Землянам придется столкнуться с холодной обстановкой, где средний показатель температуры Марса днем – 20°C, а ночью опускается до -70°C. Гравитация достигает лишь 40% земной, что приведет к потере мышечной массы и снижению костной плотности.

Проект «Биосфера-2» – имитация марсианских условий на Земле

Примерно 95% атмосферы представлено диоксидом углерода, а значит не обойтись без кислорода. Отсутствие масштабного магнитного поля лишает защиты от космической радиации. Модели показывают, что первый астронавт задохнется через 68 дней, а остальные умрут от голода, обезвоживания или же сгорят в атмосфере при посадке.

Художественное видение марсианского космонавта

В общем, нам придется решить еще множество проблем, прежде чем отправиться в путь. Но мы вынуждены это сделать, если планируем превратить чужой мир во второй дом. Кто знает? Может от этого зависит выживание всей цивилизации.