Освоение космоса. Терраформирование Венеры

Терраформирование.

Венера.

Терраформирование - это процесс целенаправленного создания на другой планете условий, схожих с земными.

В Солнечной системе есть возможные кандидаты для данного процесса - это прежде всего планеты земной группы, ближайшие соседи нашей планеты - Венера и Марс.

Терраформирование Венеры потребует двух основных изменений:

• удаления большей части плотной углекислотной атмосферы, давление которой составляет сейчас у поверхности 91 атмосферу,
• снижение температуры поверхности планеты с нынешних 450°C.

Эти цели тесно взаимосвязаны, поскольку считается, что экстремальная температура Венеры связана с парниковым эффектом, вызываемым ее плотной атмосферой.

Также для терраформирования потребуется:

• добавление в атмосферу пригодного для дыхания кислорода,
• добавление в атмосферу и на поверхность планеты воды.

История.

С начала 20 века идея преобразования Венеры исследовалась в художественной литературе. Самый ранний известный пример - "Последние и первые люди" Олафа Стэплтона (1930), две главы которого посвящены описанию того, как потомки человечества терраформируют Венеру после того, как Земля становится непригодной для жизни.

Пол Андерсон также много писал о терраформировании в 1950-х годах. В его романе 1954 года "Большой дождь" Венера изменялась с помощью методов планетарной инженерии в течение очень длительного периода времени. Книга оказалась настолько влиятельной, что термин "Большой дождь" с тех пор стал синонимом терраформирования Венеры.

Эта тема появлялась и в более современных произведениях.

В 1991 году физик и писатель Джеральд Дэвид Нордли в своем рассказе "Снега Венеры" предположил, что Венера может быть раскручена до продолжительности дня в 30 земных дней, путем выброса ее атмосферы ускорителями массы. Знаменитый писатель-фантаст Ким Стэнли Робинсон, который прославился своим реалистичным изображением терраформирования в Марсианской трилогии, в 2012 году выпустил "2312", научно-фантастический роман, посвященный колонизации всей Солнечной системы, включая Венеру. В романе показывались многие способы терраформирования, от глобального похолодания до связывания углерода, все из которых были основаны на научных исследованиях и предложениях.

Терраформирование Венеры было впервые предложено в научном контексте астрономом Карлом Саганом в 1961 году в качестве заключительного раздела его классической статьи в журнале Science, в которой обсуждалась атмосфера и парниковый эффект Венеры.

До начала 1960-х годов астрономы считали, что атмосфера Венеры имеет температуру, подобную земной. Когда стало понятно, что Венера имеет плотную атмосферу из углекислого газа, что приводит к очень сильному парниковому эффекту, некоторые ученые начали обдумывать идею изменения атмосферы, чтобы сделать Венеру более похожей на Землю. Саган предложил ввести в атмосферу Венеры фотосинтезирующие бактерии, которые превратят углекислый газ в восстановленный углерод в органической форме, тем самым уменьшив количество углекислого газа в атмосфере.

К сожалению, сведения об атмосфере Венеры были неточными в 1961 году, когда Саган сделал свое первоначальное предложение о терраформировании. Через тридцать три года после его статьи, в своей книге 1994 года "Бледно-голубая точка", Саган признал, что его изначальное предложение по терраформированию не сработает, потому что атмосфера Венеры намного плотнее, чем было известно в 1961 году:

Вот фатальный недостаток: в 1961 году я думал, что атмосферное давление на поверхности Венеры составляет несколько бар ... Теперь мы знаем, что оно составляет 90 бар, поэтому, если схема сработает, в результате получится поверхность, погребенная под сотнями метров графита и атмосфера, состоящая из почти чистого молекулярного кислорода, с давлением 65 бар. Однако задолго до того, как такое количество кислорода смогло бы накопиться, углерод самопроизвольно сгорел бы, окислившись до CO2, что привело бы к замыканию процесса.

После статьи Сагана концепция терраформирования Венеры практически не обсуждалась в научных кругах до возрождения интереса к ней в 1980-х годах.

Предлагаемые подходы

Некоторые подходы к терраформированию рассмотрены Мартином Дж. Фоггом (1995) и Джеффри А. Лэндисом (2011).

Устранение плотной атмосферы двуокиси углерода

Основная проблема Венеры сегодня, с точки зрения терраформации, - это очень толстая атмосфера из углекислого газа. Давление на уровне поверхности Венеры составляет 9,2 МПа (91 атм). Это из-за парникового эффекта приводит к тому, что температура на поверхности становится на несколько сотен градусов выше, чем приемлемо для жизни. По сути, все подходы к терраформированию Венеры включают удаление практически всего углекислого газа из атмосферы.

Биологические подходы

Метод, предложенный в 1961 году Карлом Саганом, включает использование генно-инженерных бактерий для фиксации углерода в органических соединениях. Хотя этот метод все еще предлагается при обсуждении терраформирования Венеры, более поздние открытия показали, что одни только биологические средства не будут успешными.

Сложности заключаются еще в том, что для производства органических молекул из углекислого газа требуется водород, который очень редко встречается на Венере. Поскольку у планеты отсутствует защитная магнитосфера, верхние слои атмосферы подвергаются прямой эрозии солнечным ветром и потеряли большую часть своего первоначального водорода. И, как заметил Саган, любой углерод, связанный с органическими молекулами, быстро превращался бы в двуокись углерода под воздействием окружающей среды с высокой температурой. Венера не начнет остывать до тех пор, пока большая часть углекислого газа не будет удалена.

Хотя в целом считается, что Венера не может быть терраформирована путем введения только фотосинтетической биоты, использование фотосинтезирующих организмов для производства кислорода в атмосфере продолжает быть компонентом других предлагаемых методов терраформирования.

Улавливание карбонатами

На Земле почти весь углерод поглощается в виде карбонатных минералов, в то время как очень мало углерода присутствует в атмосфере в форме углекислого газа. На Венере ситуация обратная. Большая часть углерода присутствует в атмосфере, тогда как сравнительно небольшая часть поглощается литосферой. Поэтому многие подходы к терраформированию сосредоточены на избавлении от углекислого газа путем химических реакций, улавливающих и стабилизирующих его в виде карбонатных минералов.

Одна из идей состоит в том, чтобы изолировать углерод в форме карбонатов кальция и магния. В своей статье 1996 года "Стабильность климата на Венере" Марк Баллок и Дэвид Х. Гринспун из Университета Колорадо в Боулдере указали, что для этого процесса можно использовать собственные отложения Венеры оксидов кальция и магния. При добыче полезных ископаемых эти минералы могут выходить на поверхность, действуя как поглотители углерода.

Однако Баллок и Гринспун также утверждают, что это будет иметь ограниченный охлаждающий эффект - примерно до 126,85°C и снизит атмосферное давление только до примерно 43 бар. Следовательно, потребуются дополнительные запасы кальция и магния, чтобы получить 8?10?? кг кальция или 5?10?? кг магния, которые, скорее всего, придется добывать на астероидах.

А 8?10?? кг - это в несколько раз больше массы астероида 4 Веста (который имеет более 500 километров в диаметре).

В 1989 году Александр Г. Смит предположил, что Венера могла бы быть терраформирована в результате преобразования коры планеты в карбонаты.

Ученый НАСА Джеффри А. Лэндис в 2011 году подсчитал, что потребуется вовлечение всей поверхностной коры на глубину более 1 км, чтобы образовалась площадь поверхности породы, достаточная для преобразования необходимого количества атмосферы.

Естественное образование карбонатной породы из минералов и углекислого газа - очень медленный процесс. Однако недавние исследования связывания углекислого газа в карбонатные минералы указывают на то, что этот процесс можно значительно ускорить (с сотен или тысяч лет до всего 75 дней) за счет использования катализаторов, таких как микросферы полистирола. Можно предположить, что аналогичные технологии могут также использоваться в процессе терраформации на Венере.

Также можно отметить, что химическая реакция, которая превращает минералы и углекислый газ в карбонаты, является экзотермической, то есть производящей больше энергии, чем потребляется реакцией.

Инъекция в вулканические базальтовые породы

Исследовательские проекты в Исландии и Вашингтоне показали, что потенциально большие количества двуокиси углерода могут быть удалены из атмосферы путем закачки под высоким давлением в подземные пористые базальтовые образования, где двуокись углерода быстро превращается в твердые инертные минералы.

Некоторые исследования предсказывают, что один кубический метр пористого базальта может изолировать 47 килограммов закачанного диоксида углерода. Согласно этим оценкам, потребуется объем базальтовой породы примерно 9,86 ? 10? км?, чтобы изолировать весь углекислый газ в атмосфере Венеры. Это равно всей земной коре Венеры до глубины около 21,4 км.

Другое исследование пришло к выводу, что при оптимальных условиях в среднем 1 кубический метр базальтовой породы может улавливать целых 260 кг диоксида углерода. Поверхность Венеры примерно на 90% состоит из базальта и примерно на 65% состоит из мозаики вулканических лавовых равнин. Следовательно, на планете должны быть большие объемы пластов базальтовых пород с очень многообещающим потенциалом связывания углекислого газа.

Недавние исследования также показали, что в условиях высокой температуры и высокого давления, которые существуют в мантии, диоксид кремния, самый распространенный минерал в мантии (на Земле и, вероятно, также на Венере), может образовывать карбонаты, которые стабильны в этих условиях. Это открывает возможность связывания диоксида углерода в мантии.

Введение водорода и железа

В своем исследовании 1991 года "Быстрое терраформирование Венеры" британский ученый Пол Берч предложил бомбардировать атмосферу Венеры водородом. Согласно Берчу, его реакция с углекислым газом может привести к образованию элементарного углерода (графита) и воды в результате реакции Босха. Для преобразования всей атмосферы Венеры потребуется около 4 ? 10?? кг водорода, и такое большое количество водорода можно получить из газовых гигантов или льда их лун.

Другой возможный способ добычи водорода может заключаться в его извлечении из возможных резервуаров в недрах самой планеты. По мнению некоторых исследователей, мантия и/или ядро ??Земли содержат большое количество водорода, оставшегося там с момента первоначального образования Земли из облака туманности. Поскольку первоначальное образование и внутренняя структура Земли и Венеры обычно считаются похожими, то же самое может быть верно и для Венеры.

Железный аэрозоль в атмосфере также потребуется для прохождения реакции, а железо можно добывать на Меркурии, астероидах или Луне.

Потеря водорода из-за солнечного ветра вряд ли будет значительной в масштабе времени терраформирования. Из-за относительно плоской поверхности Венеры эта вода покроет около 80% поверхности по сравнению с 70% для Земли, даже если она будет составлять только примерно 10% воды, найденной на Земле.

Оставшаяся атмосфера при давлении около 3 бар (примерно в три раза больше, чем у Земли) будет в основном состоять из азота, часть которого растворится в новых океанах воды, что приведет к дальнейшему снижению атмосферного давления в соответствии с законом Генри. Чтобы еще больше понизить давление, азот можно также преобразовать в нитраты.

Прямое удаление атмосферы

Непосредственно вывести атмосферный газ с Венеры в космос, вероятно, будет сложно.

В 1994 году Поллак и Саган подсчитали, что ударный элемент диаметром 700 км, поражающий Венеру на скорости более 20 км/с, выбросит меньше одной тысячной доли от общей атмосферы, и по мере уменьшения плотности атмосферы будет уменьшаться количество выброса, так что потребуется очень большое количество таких гигантских ударных элементов. Лэндис подсчитал, что для понижения давления с 92 бар до 1 бара потребуется минимум 2 000 ударов, даже если эффективность удаления атмосферы была идеальной. Меньшие объекты тоже не будут работать, потому что их потребуется больше.

Интенсивная бомбардировка вполне могла бы даже привести к значительному выделению газа, который заменил бы удаленную атмосферу.

К тому же, большая часть выброшенной атмосферы просто перейдет на солнечную орбиту около Венеры и, без дальнейшего вмешательства, может быть захвачена гравитацией планеты и снова станет частью атмосферы.

Удаление атмосферного газа более контролируемым способом также может оказаться трудным. Геостационарная орбита планеты находится на большом расстоянии от поверхности, и постройка космического лифта будет очень сложной задачей, даже более сложной, чем на Земле, где подобное сооружение тоже пока невозможно.

Возможные варианты включают размещение ускорителей массы на высотных воздушных шарах или опорных башнях, возвышающихся над основной частью атмосферы. Эти ускорители смогут постепенно вычерпывать газ из атмосферы и выбрасывать его в космос. Как уже упоминалось, таким способом можно и повлиять на скорость вращения планеты. Нордли подсчитал, что достаточно высокоскоростной (около 10% скорости света) массовый поток может за 30 лет установить на Венере сутки продолжительностью 24 часа.

Охлаждение планеты солнечным зонтом

Венера получает вдвое больше солнечного света, чем Земля, что, как считается, способствовало ее безудержному парниковому эффекту. Одним из способов терраформирования Венеры может быть уменьшение инсоляции на поверхности Венеры, чтобы планета не нагрелась снова.

Космический зонт

Солнечные "зонты" можно использовать для уменьшения общего солнечного излучения, получаемого Венерой, что несколько охладит планету. Источник тени, размещенный в лагранжевой точке L1 системы Солнце-Венера, также мог бы блокировать солнечный ветер, устраняя проблему радиационного воздействия на Венеру.

Подходящий зонт был бы в четыре раза больше диаметра самой Венеры, при размещении в точке L1. Строительство такого масштабного объекта в открытом космосе будет само по себе интересной задачей. Также возникнут трудности с уравновешиванием этого зонта на положенном месте, поскольку давление солнечного света и ветра превратит зонт в огромный солнечный парус.

Для решения проблемы было предложено размещать "зонт" ближе к Солнцу или использовать другие модификации конструкции. Один из предлагаемых методов - использовать полярно-орбитальные солнечно-синхронные зеркала, которые отражали бы свет к задней части зонта с не направленной к Солнцу стороны Венеры. Давление фотонов толкнет опорные зеркала на угол 30 градусов от солнечной стороны.

Солнечные зонты также могут быть солнечными батареями, собирая большое количество энергии.

Однако сейчас такие решения в целом находятся только на ранней стадии развития. Огромные размеры таких сооружений потребуют количества материала, которое на много порядков больше, чем в любом искусственном объекте, который когда-либо был доставлен в космос или построен в космосе.

Атмосферный или приповерхностный отражатель

Венеру также можно охладить, разместив отражатели в атмосфере. Светоотражающие воздушные шары, количество и/или размер которых обязательно будет большим, плавающие в верхних слоях атмосферы, могут создавать тень.

Джеффри А. Лэндис предположил, что если будет построено достаточно плавучих городов, они могут сформировать солнечный щит вокруг планеты и могут одновременно использоваться для преобразования атмосферы в более желаемую форму. При этом такие города одновременно и сразу предоставят жизненное пространство для людей в атмосфере Венеры. Если эти аэростаты будут сделаны из углеродных нанотрубок или графена, то основные конструкционные материалы могут быть произведены с использованием углекислого газа, собранного на месте из атмосферы.

Увеличение отражательной способности планеты за счет размещения на поверхности (или на любом уровне ниже верхних слоев облаков) отражающего материала бесполезно, потому что венерианская поверхность уже полностью покрыта облаками, а солнечный свет почти не достигает поверхности.

Кстати, альбедо венерианских облаков и так очень высокое, равно 0,77. Поэтому размещаемые в атмосфере шары должны не просто отражать больше энергии, а как-то ее использовать, например для переработки атмосферы.

Охлаждение планеты тепловыми трубками, атмосферными вихревыми двигателями или радиационным охлаждением

Пол Берч предположил, что помимо охлаждения планеты с помощью зонта в точке L1, на планете могут быть построены "тепловые трубы" для ускорения охлаждения. Предлагаемый механизм будет переносить тепло от поверхности в более холодные области, расположенные выше в атмосфере, тем самым облегчая излучение избыточного тепла в космос.

Один из вариантов этой технологии - это атмосферный вихревой двигатель, в котором вместо физических труб атмосферный восходящий поток достигается за счет создания вихря, подобного стационарному торнадо. В дополнение к тому, что этот метод менее материалоемкий и потенциально более рентабельный, этот процесс также дает чистый избыток энергии, который можно использовать для питания венерианских колоний или других аспектов терраформирования, одновременно способствуя ускорению охлаждения планеты.

Другой метод охлаждения планеты может быть основан на принципе радиационного охлаждения. Эта технология могла бы использовать тот факт, что в определенных длинах волн тепловое излучение из нижней атмосферы Венеры может уходить в космос через частично прозрачные атмосферные "окна" - спектральные промежутки между сильными полосами поглощения CO2 и H2O в ближнем инфракрасном диапазоне 0,8–2,4 мкм.

Введение воды

Поскольку на Венере имеется очень мало воды (менее половины земного уровня в атмосфере, и совсем нет на поверхности), вода должна быть введена либо вышеупомянутым методом введения водорода, либо из другого внепланетного источника.

Захват ледяной луны

Пол Берч предполагает возможность столкновения Венеры с одной из ледяных лун из внешней части Солнечной системы. Для этого можно использовать спутники Сатурна Энцелад и Гиперион или спутник Урана Миранду. Простое изменение скорости этих спутников, достаточное для того, чтобы переместить их с их текущей орбиты и обеспечить транспортировку к Венере с помощью гравитации, потребует большого количества энергии. Однако за счет сложных взаимосвязанных гравитационных реакций, требования к двигательной установке можно было снизить на несколько порядков. Как говорит Берч:

Теоретически можно бросить камешек в пояс астероидов и в конечном итоге сбросить Марс на Солнце.

Захват ледяного тела без обрушения на Венеру

Другим вариантом введения воды будет доставка к Венере ледяного астероида из пояса Койпера и выведение его на орбиту планеты. Захваченный астероид будет испытывать со стороны Венеры мощные переменные приливные силы. Выделяющееся за счет трения смещающихся под их действием пород тепло будет плавить и испарять лед.

Образующиеся пар и пыль не будут утекать в межпланетное пространство мгновенно, а сформируют газопылевой диск в гравитационной яме Венеры. Часть вещества из диска будет утекать через верхнюю границу, унося момент импульса, а часть – тормозиться внутренним трением газа и падать на поверхность Венеры.

Таким образом будет обеспечена плавная переправка воды с астероида на планету. Этот путь лучше, чем перенос воды путем прямого обрушения космического тела на планету. От удара тела таких размеров большая часть воды улетела бы обратно в космос.

Последствия введения воды на Венеру

Как уже упоминалось, рельеф планеты очень плоский. Так что после осаждения углерод-удерживающих пород и введения воды, большая часть Венеры будет покрыта водой. По некоторым расчетам, венерианский океан может покрывать даже больше, чем 80% поверхности. Скорее, площадь суши составит всего 1%! Будут два архипелага – регион Атли вблизи экватора, и горы Максвелла на северном полюсе. 1% площади Венеры – это больше площади европейской части России и примерно равно половине территории США.

А так как океан будет довольно мелкий, всего несколько сотен метров глубины, то возможно будет использование подводных жилищ. О подводных жилищах можно почитать в цикле статей.

Изменение дневного и ночного цикла

Венера совершает оборот вокруг своей оси каждые 243 земных дня - это самый медленный период вращения среди всех известных объектов Солнечной системы. Таким образом, венерианский день длится дольше, чем венерианский год (243 против 224,7 земных дня). Медленная скорость венерианского вращения приводит к чрезвычайно длинным дням и ночам, подобным циклам день-ночь в полярных регионах Земли - более коротким, но глобальным. Медленное вращение также может быть причиной отсутствия значительного магнитного поля.

Аргументы в пользу сохранения текущего цикла день-ночь без изменений

До недавнего времени предполагалось, что для успешного терраформирования необходимо увеличить скорость вращения Венеры или цикл день-ночь. Однако более поздние исследования показали, что нынешняя медленная скорость вращения Венеры вовсе не вредит способности планеты поддерживать климат, подобный земному. Скорее, низкая скорость вращения, учитывая атмосферу земного типа, позволила бы сформировать толстые слои облаков на стороне планеты, обращенной к Солнцу. Это, в свою очередь, повысит планетарное альбедо и снизит глобальную температуру до земного уровня, несмотря на большую близость к Солнцу. Согласно расчетам, максимальная температура будет около 35°C, учитывая атмосферу земного типа.

Следовательно, увеличение скорости вращения было бы непрактичным и пагубным для усилий по терраформированию. Терраформированная Венера с текущим медленным вращением приведет к глобальному климату с "дневным" и "ночным" периодами продолжительностью примерно 2 месяца (58 дней) каждый, напоминая времена года на более высоких широтах на Земле.

"День" будет напоминать короткое лето с теплым влажным климатом, тяжелым пасмурным небом и обильными дождями. "Ночь" будет напоминать короткую очень темную зиму с довольно холодной температурой и снегопадом. Будут периоды с более умеренным климатом и ясной погодой на восходе и закате, напоминающие "весну" и "осень".

Космические зеркала

Проблема очень темных условий в течение примерно двухмесячного "ночного" периода может быть решена за счет использования космического зеркала на 24-часовой орбите (на том же расстоянии, что и геостационарная орбита на Земле). Космическое зеркало диаметром чуть менее 1700 метров могло бы осветить всю ночную сторону планеты светимостью 10-20 полных лун и создать искусственный 24-часовой световой цикл. Еще большее зеркало потенциально могло бы создать еще более сильные условия освещения. Для достижения уровня освещенности около 400 люкс (аналогично обычному офисному освещению или восходу солнца в ясный день на Земле) потребуется круглое зеркало диаметром около 55 километров.

Пол Берч предложил держать всю планету полностью защищенной от солнечного света с помощью системы зонтов в точке L1, а поверхность освещать вращающимся зеркалом на полярной орбите, что дало бы 24-часовой световой цикл.

Изменение скорости вращения

Если было бы желательно увеличить скорость вращения планеты (несмотря на вышеупомянутые потенциально положительные климатические эффекты текущей скорости вращения), это потребовало бы энергии на много порядков большей, чем строительство орбитальных солнечных зеркал, или даже чем удаление венерианской атмосферы.

Берч подсчитал, что для увеличения вращения Венеры до солнечного цикла, подобного земному, потребуется около 1,6 ? 10?? Джоулей (50 миллиардов петаватт-часов).

Создание искусственной магнитосферы

Чтобы защитить новую атмосферу от солнечного ветра, потребуется искусственная магнитосфера.

В настоящее время у Венеры отсутствует собственное магнитное поле, поэтому необходимо создание искусственного планетарного магнитного поля, чтобы сформировать магнитосферу посредством ее взаимодействия с солнечным ветром.

По мнению японских ученых из NIFS, это возможно сделать, построив систему охлаждаемых широтных сверхпроводящих колец, каждое из которых несло бы достаточное количество постоянного тока.

В том же отчете утверждается, что экономическую затратность столь амбициозной системы можно минимизировать, используя ее также в качестве планетарной системы передачи и хранения энергии.

Другое исследование предлагает возможность развертывания магнитного дипольного экрана в точке Лагранжа L1, чтобы теневой щит выступал также защитой от солнечного ветра и излучения.

Резюме:

Задача терраформирования Венеры - сверхамбициозна. На настоящий момент человечество вряд ли может осуществить такую задачу.

Однако выполнение ее дало бы не только второй дом для человечества (причем дом, очень похожий на Землю), но и обогатило бы научными данными по борьбе с парниковым эффектом. А эти знания могли бы быть использованы и на самой Земле.

***

О Марсе - в следующей статье.

Спасибо за внимание!

Источник: zen.yandex.ru