Освоение космоса. Терраформирование Марса

Терраформирование.

Марс.

Терраформирование Марса - гипотетическая процедура превращения Красной планеты из состояния, враждебного земной жизни, в такое, при котором могут устойчиво существовать люди и другие формы жизнь. Предполагается, что этот процесс будет включать изменение существующих на планете климата, атмосферы и поверхности, а также создание новой экологической системы.

Основания для выбора Марса среди других потенциальных целей терраформирования:

• наличие больших запасов воды в виде льда. Вода является необходимым условием для жизни, а также ресурсом для добычи кислорода, тоже необходимого для человека, и водорода, который может использоваться как топливо.
• геологическая история, которая предполагает, что когда-то на планете была плотная атмосфера, подобная земной. Получается, что надо своего рода "отремонтировать" планету, приводя ее к состоянию, в котором она уже была раньше. Считается, что это будет легче, чем создавать земные условия с полного нуля. Почва и атмосфера Марса также содержат много основных элементов для жизни, в том числе серу, азот, водород, кислород, фосфор и углерод. Марс вообще находится на внешней границе обитаемой зоны Солнечной системы, где жидкая вода на поверхности может существовать при условии достаточного атмосферного давления.

Опасности и трудности:

• низкая гравитация. Сила тяжести на Марсе составляет 38% от земной. Неизвестно, достаточно ли этого для предотвращения проблем со здоровьем, связанных с невесомостью и низкой гравтацией, таких как уменьшение прочности костей, сердечно-сосудистые изменения, перераспределение жидкости в организме и потеря мышечного тонуса. Гравитация - один из немногих параметров, которые не получится изменить с помощью терраформирования планеты. В целом, до создания (если таковое вообще возможно) неких гравитационных генераторов человечество может создавать искусственную гравитацию желаемого уровня только с помощью центробежных сил, а их можно применять лишь на космических станциях и кораблях, но не на планете. Другим эффектом низкой гравитации Марса является то, что потребуется воздушная масса в 2,6 раза большая, чем масса атмосферного столба Земли, чтобы получить оптимальное давление 100 кПа на поверхности.
• меньший уровень освещенности по сравнению с земным (всего порядка 60%). Это повысит требования к площади солнечных батарей или потребует использования ядерных источников энергии.
• отсутствие магнитного поля, что приводит к повышенному уровню ионизирующего излучения на поверхности. Люди, оставшиеся на Марсе даже на относительно короткое время, скорее всего будут вынуждены жить под поверхностью планеты.
• средняя температура –63°C по сравнению со средней земной температурой 14°C
• нет сведений о существовании жидкой воды. Возможно существование жидкого "рассола" - воды, очень насыщенной солями и губительной для живых организмов. Для добычи воды придется растапливать лед, что требует энергии.
• глобальные пылевые бури, способные ухудшать работу солнечных батарей, вредить технике и человеческому здоровью.
• нет натурального источника пищи. Колонистам придется полагаться на искусственные фермы.
• токсичная почва. Марсианский грунт содержит ядовитые перхлораты, так что хотя эксперименты показывают, что в "чистой" марсианской почве могут расти растения, в реальности поля на Марсе просто так не засеять.

Существуют разногласия по поводу того, могут ли современные технологии сделать целую планету пригодной для жизни. Вообще, локальное воздействие на климат земная цивилизация освоила довольно давно и обычно — с негативными последствиями. В античные времена вырубка лесов в Сахаре привела к опустыниванию, а сегодня огромные водохранилища и мегаполисы вызывают заметное локальное потепление.

Но на подобные действия в планетарном масштабе у человечества не хватит энергии. В лучшем случае можно рассчитывать только на "толчок", после которого события будут развиваться сами по себе. И остается только надеяться, что развиваться они будут в предсказанном и нужном направлении.

Основная концептуальная проблема даже не в том, как именно "толкнуть" - для этого обычно предполагается "уронить" на планету достаточно большой астероид или воспользоваться термоядерной бомбой. Проблема в том, что нет никаких гарантий, что процесс пойдет дальше правильным путем.

На Земле объединенная система "атмосфера-гидросфера-биосфера", от которой зависит климат, настолько сложна, что ее реалистичное моделирование до сих пор не подвластно самым супер-компьютерам. Мы пока не можем даже предсказывать погоду более-менее достоверно на сколько-то длительный срок, что уж говорить о целенаправленном управлении. Имеется огромное количество различных взаимодействующих факторов, каждый из которых мал сам по себе, но изменение любого может привести к радикальным последствиям ("эффект бабочки").

Другие возражения включают этические соображения по поводу терраформирования вообще - такой процесс приведет к изменению или уничтожению местных жителей, даже если они просто микробы, а также окажет сильное воздействие на перемещенные на другую планету земные виды. Также противники указывают на значительные затраты, которые потребуются на подобное мероприятие.

Доводы в пользу терраформирования:

• расширение территории для жизни,
• дополнительные ресурсы (как напрямую другой планеты, так и более простой доступ к ресурсам астероидного пояса и Солнечной системы в целом),
• снижение шансов на вымирание человечества в результате катастрофы,
• человечество бы разработало множество технологий, которые бы способствовали решению проблемы изменения климата на Земле.

Предлагаемые методы и стратегии

Терраформирование Марса потребует три основных взаимосвязанных изменения: создание плотной атмосферы, повышение температуры и создание магнитосферы для защиты жизни от облучения и вновь образованной атмосферы от сдувания солнечным ветром.

Атмосфера

Сравнение атмосферы

Атмосферное свойство Марс Земля

Давление 0,61 кПа 101,3 кПа

Двуокись углерода (CO2) 96,0% 0,04%

Аргон (Ar) 2,1% 0,93%

Азот (N2) 1,9% 78,08%

Кислород (O2) 0,145% 20,94%

Атмосфера Марса относительно тонкая и имеет очень низкое давление у поверхности. Текущее марсианское атмосферное давление менее 1 кПа находится значительно ниже предела Армстронга (6 кПа), при котором очень низкое давление вызывает испарение жидкостей организма, таких как слюна, слезы, увлажняющая пленка альвеол в легких. Без скафандра даже достаточное количество кислорода не поможет. В этих условиях люди умирают в считанные минуты.

Если бы атмосферное давление на Марсе могло подняться выше 19 кПа, то колонистам можно было бы использовать дыхательную маску для подачи чистого кислорода под положительным давлением. Дальнейшее повышение атмосферного давления до 24 кПа позволит использовать простую маску. Это будет похоже на снаряжение альпинистов, которые поднимаются на вершины, где давление ниже 37 кПа, и недостаточное количество кислорода в баллоне приводит к гипоксии со смертельным исходом.

Следует учитывать, что если повышение атмосферного давления будет достигнуто за счет увеличения CO2 (или другого токсичного газа) маска должна будет также надежно защищать от попадания внешней атмосферы внутрь. Концентрация CO2 всего лишь в 1% вызывает сонливость у людей, а концентрации от 7% до 10% могут вызвать удушье даже при наличии достаточного количества кислорода.

А повышать давление предлагается как раз парниковыми газами, что способствовало бы удержанию тепловой энергии у поверхности. При этом еще больше CO2 будет попадать в атмосферу из замороженных запасов на полюсах, усиливая парниковый эффект. Это означает, что процессы создания атмосферы и ее нагревания будут дополнять друг друга, способствуя терраформированию.

Также повышение температуры приведет к увеличению содержания водяного пара в атмосфере. Углекислый газ и водяной пар являются основными вероятными источниками парникового эффекта, которые доступны в больших количествах в окружающей среде Марса. Большое количество водяного льда существует под поверхностью Марса, а также на поверхности у полюсов, где он смешан с сухим льдом, замороженным CO2. Значительное количество воды находится на южном полюсе Марса, который, если бы растаял, соответствовал бы океану глубиной 5–11 метров в масштабе всей планеты.

Однако следует учитывать, что одних ледяных шапок скорее всего будет недостаточно.

Исследователям уже довольно давно известно, что Марс продолжает терять остатки своей атмосферы. И данные, полученные с помощью миссии MAVEN, указали что этот процесс шел на протяжении всей истории планеты. Ученые из Центра космических полетов имени Годдарда NASA пришли к выводу, что большая часть атмосферы Марса была потеряна в космосе, а не заперта на планете.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Science еще в 2017 году, обратили внимание на солнечный ветер: заряженные частицы, исходящие от Солнца, врезаются в молекулы в атмосфере, создавая новые заряженные частицы, ионы. Солнечный ветер подхватывает ионы и уносит их в космос. Интересно, что в ходе этого процесса из атмосферы быстрее пропадают более легкие молекулы. Это происходит, так как такие молекулы с большей вероятностью поднимаются высоко в атмосферу, куда ударяет солнечный ветер.

Благодаря измерениям MAVEN, ученые сравнили концентрации аргона-36 и аргона-38 (атомов с 36 и 38 нейтронами) на разных высотах в атмосфере и определили сколько более легкого аргона-36 пропало из атмосферы с течением времени. Затем они использовали эту информацию для моделирования воздействия солнечного ветра на другие типы молекул в атмосфере Марса и пришли к выводу, что около 66% атмосферы Марса улетучилось в космос за последние четыре миллиарда лет или около того.

Судя по тому, что мы знаем сегодня, большая часть углерода на Марсе исчезла навсегда. По мнению исследователей, того количества углерода, что осталось на Красной планете сегодня недостаточно, чтобы образовать достаточно толстый для жизни слой атмосферы.

В общем, исследователи отмечают, что с помощью ингредиентов, обнаруженных на Марсе, планету невозможно терраформировать.

Другими методами создания парникового эффекта является внесение газов извне.

Импорт аммиака

Один из методов увеличения марсианской атмосферы - введение аммиака (NH3). Большое количества аммиака, вероятно, существует в замороженном виде на малых планетах, вращающихся во внешних частях Солнечной системы. Возможно, удастся перенаправить орбиты этих или более мелких объектов, богатых аммиаком, так, чтобы они столкнулись с Марсом, тем самым внеся аммиак в атмосферу.

Однако аммиак будет нестабилен в марсианских условиях. Всего через несколько часов он распадается на двухатомный азот и водород. Таким образом, хотя аммиак - мощный парниковый газ, маловероятно, что он вызовет сильное потепление планеты.

При этом газообразный азот в конечном итоге будет унесен в космос в результате тех же процессов, которые лишили Марс большей части его первоначальной атмосферы, хотя эти процессы и потребовали много миллионов лет. Поскольку водород намного легче, он будет уноситься гораздо быстрее.

Также двуокись углерода в 2,5 раза плотнее аммиака, а газообразный азот, который Марс едва удерживает, более чем в 1,5 раза плотнее. Таким образом, даже нераспавшийся аммиак также будет быстро унесен в космос.

Импорт углеводородов

Другой способ создания атмосферы Марса - импортировать метан (CH4) или другие углеводороды, которых, например, много на Титане. Однако, как и аммиак (NH3), метан (CH4) - относительно легкий газ. На самом деле он даже менее плотен, чем аммиак, и если бы он был введен, то аналогичным образом был бы потерян в космосе, причем с большей скоростью, чем аммиак. Даже если удастся найти способ предотвратить его утечку в космос, метан может существовать в марсианской атмосфере лишь ограниченный период времени, прежде чем распадется. Оценки продолжительности существования газа колеблются от 0,6 до 4 лет.

Использование соединений фтора

Особенно мощные парниковые газы, такие как гексафторид серы, хлорфторуглероды (CFCs - ХФУ) или перфторуглероды (PFCs - ПФУ), были предложены для потепления и поддержания долгосрочной стабильности климата Марса. Эти газы предлагаются для использования, потому что они создают парниковый эффект в тысячи раз сильнее, чем CO2.

Было подсчитано, что для испарения углекислотных ледников южного полюса потребуется внести в атмосферу около 39 миллионов тонн ХФУ, что примерно в три раза больше, чем количество ХФУ, произведенных на Земле с 1972 по 1992 год (когда производство ХФУ было запрещено международным договором из-за угрозы озоновому слою).

Поддержание температуры потребует непрерывного производства таких соединений, поскольку они разрушаются из-за фотолиза. Было подсчитано, что введение 170 килотонн оптимальных парниковых соединений ежегодно будет достаточно для поддержания парникового эффекта.

Предложения предусматривают производство газов на Марсе с использованием местных материалов и ядерной энергии. Потенциал добычи фторсодержащих минералов для получения сырья, необходимого для производства ХФУ и ПФУ, подтверждается минералогическими исследованиями Марса, которые оценивают содержание фтора в составе Марса на уровне 32 частей на миллион по массе (по сравнению с 19,4 для Земли).

В качестве альтернативы, ХФУ могут быть доставлены на Марс путем отправки ракет со сжатым газом. Когда ракеты врезались бы в поверхность, они выбрасывали бы свою полезную нагрузку в атмосферу. Устойчивый обстрел этими ракетами с ХФУ должен будет поддерживаться немногим более десяти лет, пока атмосфера Марса химически не изменится и станет теплее.

***

По мнению предпринимателя Илона Маска, лучшим и наиболее быстрым способом терраформирования Марса является применение нескольких термоядерных зарядов, взорванных в определенных регионах. Бомбы нужны, чтобы испарить залежи замерзшего углекислого газа на полюсах. Испарившись и поступив в атмосферу, он вызывает парниковый эффект.

Однако это предложение было высказано на развлекательном шоу и в целом довольно сомнительно.

Во-первых, подобные взрывы могут поднять огромное количество пыли, которая, рассеявшись в атмосфере, приведет к обратному эффекту - охлаждению по типу ядерной зимы.

Во-вторых, для испарения сухого льда с полюсов потребуется количество энергии в 15 тысяч раз больше суммарной мощности бомб, взорванных на Земле за все время ядерных испытаний. И хотя термоядерная бомба гораздо дешевле по энергетическим затратам на доставку, чем метеориты, да и сама задача транспортировки метеоритов вообще не отработана никак, а термоядерная бомба - это просто обычный груз, без взрывателя совершенно безопасный и стабильный, потребуется огромное количество бомб и огромное количество рейсов. Либо строить на Марсе полноценную промышленность для производства зарядов на месте.

В-третьих, как уже упоминалось, существующих на планете запасов недостаточно для терраформирования. Таким образом, испарение ледяных шапок внесет свой вклад в процесс, но только этих запасов углекислоты будет недостаточно для создания атмосферы.

Нагрев Марса

Уменьшение альбедо

Уменьшение отржательной способности поверхности Марса позволит более эффективно использовать падающий солнечный свет с точки зрения поглощения тепла. Это может быть сделано путем распространения темной пыли со спутников Марса, Фобоса и Деймоса, которые являются одними из самых черных тел в Солнечной системе; или путем размножения темных экстремофильных микробных форм жизни, таких как лишайники, водоросли и бактерии.

Однако Марс уже является второй по темноте планетой в Солнечной системе, поглощая более 70% падающего солнечного света, поэтому возможности для его дальнейшего затемнения невелики.

Еще одна проблема, связанная с уменьшением альбедо, - это обычные марсианские пылевые бури. Они покрывают всю планету на несколько недель и не только увеличивают альбедо, но и блокируют попадание солнечного света на поверхность. Было замечено, что это вызывает падение температуры поверхности, от которого планете требуется месяцы, чтобы оправиться. Оседающая пыль также будет покрывать сверху используемый для снижения альбедо материал.

Повышение альбедо ледяных шапок

Можно присыпать полярные шапки пылью от ядерных взрывов, увеличив их альбедо. Если всего один процент падающего на Марс солнечного света пустить на испарение сухого льда, их можно растопить всего за 6 лет.

Однако сейчас полярные шапки не покрыты пылью, несмотря на глобальные пылевые бури, и это указывает на то, что эффект будет очень нестойким. Испаряющийся CO2 создаст мощные ветры, которые будут уносить пыль на экватор.

Использование орбитальных зеркал

Зеркала, сделанные из тонкой алюминизированной пленки ПЭТ, можно было бы вывести на орбиту Марса, чтобы увеличить общую инсоляцию, которую он получает. Такие устройства направили бы солнечный свет на поверхность и напрямую повысили температуру Марса. Космическое зеркало большого диаметра можно позиционировать, используя его способности солнечного паруса, для нахождения в стационарном положении относительно Марса. С помощью системы зеркал можно было бы направить свет на полюса, для испарения ледяных шапок и способствования парниковому эффекту.

Защита атмосферы

Одним из ключевых аспектов терраформирования Марса является защита атмосферы (как настоящей, так и будущей) от потери в космосе. Некоторые ученые предполагают, что создание искусственной магнитосферы всей планеты могло бы помочь в решении этой проблемы. По словам японских ученых из NIFS, это возможно сделать с помощью современных технологий, построив систему охлаждаемых широтных сверхпроводящих колец, каждое из которых несло бы достаточное количество постоянного тока. В той же работе утверждается, что экономические затраты на строительство такой системы можно минимизировать, используя ее в качестве планетарной системы передачи и хранения энергии.

Читавшие статью про терраформирование Венеры наверняка узнали это предложение :) Да, решение универсальное.

Магнитный экран на орбите в точке L1

Во время семинара Planetary Science Vision 2050 в конце февраля 2017 года ученый НАСА Джим Грин предложил концепцию размещения магнитного поля не на самой планете, а между Марсом и Солнцем, чтобы защитить планету от высокоэнергетических солнечных частиц. Щит будет расположен на орбите в точке Лагранжа L1 на высоте около 320 радиусов Марса, создавая частичную и удаленную искусственную магнитосферу. Поле должно быть "сопоставимым с земным". В аннотации к статье говорится, что это может быть достигнуто с помощью магнита силой 1-2 тесла.

Если такой щит будет построен, он даже сможет позволить планете восстановить свою атмосферу естественным путем. Моделирование показывает, что в течение нескольких лет планета сможет достичь половинного атмосферного давления Земли. Если бы солнечный ветер не уносил планету, замороженный углекислый газ на ледяных шапках на полюсах начал бы испаряться быстрее и нагревать планету. Ледяные шапки начали бы таять, образуя океан.

К сожалению, проблем в этой идее видно больше, чем преимуществ. Например, важна не только величина магнитного поля сама по себе, но и размер зоны, занимаемый полем. Чтобы создать магнитное поле, равное земному, в одной точке, достаточно небольшого магнита, но нужно что-то гораздо большее, чтобы создать магнитосферу Земли. Чтобы воспроизвести магнитный щит достаточного диаметра, прикрывающий всю планету, потребуются огромные энергии и параметры провода электромагнита.

Кислород.

Большая часть кислорода в марсианской атмосфере присутствует в виде углекислого газа (CO2), основной составляющей атмосферы. Молекулярный кислород (O2) существует только в следовых количествах. Большое количество кислорода также содержится в оксидах металлов на поверхности Марса, и в почве. Анализ образцов, взятых спускаемым аппаратом "Феникс", показал присутствие перхлората, который может использоваться для выделения кислорода в химических генераторах. Электролиз также может быть использован для разделения воды на Марсе на кислород и водород, при наличии достаточного количества жидкой воды и электричества.

Если бы водоросли или другие виды зелени существовали на Марсе, они также вносили бы небольшое количество кислорода в атмосферу, хотя и недостаточное для того, чтобы люди могли дышать. Кроме того, поскольку на Марсе атмосферный кислород теряется в космос (в отличие от Земли, где существует кислородный цикл), будет происходить постоянная потеря с планеты.

По обеим этим причинам рациональнее было бы культивировать ??жизнь в закрытой системе.

В 2012 году ученые из Лаборатории моделирования Марса (MSL), поддерживаемой Немецким аэрокосмическим центром (DLR), сообщили, что лишайник выжил и показал замечательные результаты по адаптации и фотосинтетической активности в течение 34 дней нахождения в смоделированных марсианских условиях.

С 2014 года Институт перспективных концепций НАСА (NIAC) и Techshot Inc, компания, расположення в Гринвилле, штат Индиана, работают над разработкой герметичных биодомов, которые будут использовать колонии производящих кислород цианобактерий и водорослей для производства молекулярного кислорода (O2) на марсианской почве.

Проект по исследованию работоспособности концепции получил название "Испытательный стенд Mars Ecopoiesis". Этот стенд представляет собой прозрачный купол, обеспечивающий солнечное тепло и фотосинтез, и систему для сбора и герметизации марсианской почвы вместе с производящими кислород земными организмами. Общая длина составляет около 7 сантиметров.

В одной из будущих марсианских миссий предполагается отправить маленькие канистры с экстремофильными фотосинтетическими водорослями и цианобактерии. Марсоход с оборудованием забирал бы немного грунта из мест, которые в прошлом, вероятно, находились под жидкой водой, а затем высвобождал бы производящие кислород микроорганизмы для роста в забранной и герметично изолированной почве. Оборудование будет использовать марсианский подземный лед как источник воды. Затем система будет искать кислород, выделяемый в качестве побочного продукта метаболизма, и сообщать результаты на орбитальный спутник-ретранслятор.

Если этот эксперимент сработает на Марсе, возможно будет построить несколько больших и герметичных структур, называемых биодомами, для производства и сбора кислорода для будущей пилотируемой миссии к Марсу. Возможность производить кислород на месте дала бы НАСА значительную экономию и позволила бы людям находиться на Марсе дольше, чем это было бы возможно, если бы астронавтам пришлось перевозить свои собственные тяжелые кислородные баллоны. Этот биологический процесс, называемый экопоэзисом, будет изолированным в замкнутых областях, и не предназначен для глобальной планетарной инженерии типа терраформирования Марса, но НАСА заявляет, что "это будет первый крупный скачок от лабораторных исследований к осуществлению экспериментальных планетарных исследований, представляющих наибольший интерес для планетарной биологии и терраформирования".

Исследования Университета Арканзаса, представленные в июне 2015 года, показали, что некоторые метаногены могут выжить при низком давлении Марса. Ребекка Миколь обнаружила, что в ее лаборатории четыре вида метаногенов выжили в условиях низкого давления, которые были похожи на подземный жидкий водоносный горизонт на Марсе. Она проверила четыре вида: Methanothermobacter wolfeii , Methanosarcina barkeri , Methanobacterium formicicum и Methanococcus maripaludis.

Метаногены не требуют кислорода или органических питательных веществ, не фотосинтезируют, используют водород в качестве источника энергии и углекислый газ (CO2) в качестве источника углерода, поэтому они могут существовать в подземных средах на Марсе.

Резюме:

Марс - популярная тема фильмов и книг, и один из маяков, к которым человечество стремится в космосе. К Марсу отправлено больше исследовательских миссий, чем к Луне. Высадка человека на Марсе - ожидаемое достижение будущего. Не утихают разговоры и о полноценной колонизации Красной планеты. Хотя эти разговоры и даже пилотируемый полет - они довольно оптимистичны, сейчас они не осуществимы.

Процесс терраформирования Марса кажется довольно простым, на деле человечество может его и не осуществить. По крайней мере, в ближайшем будущем. Потребуется доставка на планету ресурсов извне, для создания плотной атмосферы. И потребуется значительный прогресс в создании масштабных искусственных магнитных полей для защиты этой атмосферы от исчезновения.

Возможно, причем возможно уже довольно скоро, при наличии желания, более разумным было бы частичное терраформирование Красной планеты.

Строительство гигантских куполов позволило создать бы под ними плотную и пригодную для дыхания атмосферу. В структуру купола можно включить сверхпроводящие магниты для создания локального магнитного поля. Внутри таких купольных городов будет достаточно места для жизни и работы.

Подобные поселения можно делать и под поверхностью планеты, чтобы не строить купола. Но купольные выглядят изящнее, да и в целом приятнее для жизни. Человеку нужно видеть небо над головой.

Источник: zen.yandex.ru