А. Березин. Терраформирование: как превратить другую планету в свою?

Марсианские планы SpaceX включают терраформирование — превращение планеты в пригодную для проживания людей. Зачем это нужно делать? Циолковский уже давно ответил на этот вопрос.

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 нет.

Рядом с Землей нет других «островов» в космосе, которые можно было бы заселить. Поэтому их придется создать.

Что стоит терраформировать: самая лучшая цель недоступна

Важнейшее требование к обитаемой планете — 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 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.

В теории доставка комет из сухого и водного льда к Луне позволяют создать на ней атмосферу и гидросферу, с практической точки зрения в этом нет смысла: длительное проживание при одной шестой земной силы тяжести просто опасно для здоровья / © H.K., No7er, Reddit

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 бы Венеру прохладнее.

Предложения с современной точки зрения выглядят наивно.

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

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.

Тот же Карл Саган в 1973 году предложил концепцию для терраформирования не только Венеры, но 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 основательно нагрел бы Марс. Соответственно, заметная часть марсианского водного льда стала бы водой, началось бы выпадение осадков, появились бы водоемы.

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.

В 2018 году группа ученых NASA заявила, что никаких вариантов терраформирования Марса на самом деле нет: 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.

Несколько лет назад было показано, что с помощью аэрогеля (материала, по объему почти полностью состоящего из пор) на Марсе уже сегодня можно построить купола, удерживающие достаточно солнечного тепла, чтобы основную часть года людям внутри не требовалось дополнительное отопление. А вот задача создания озер и посадки деревьев требует усилий вековой длительности / © Robert Kunzig

И тем не менее перспективы есть. Дело в том, что критика сотрудников NASA опиралась 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.

Метеорит ALH 84001, одно из 34 тел марсианского происхождения, найденных на Земле. Этот конкретный был обнаружен в Трансантарктических горах сорок лет назад. Кристаллизация материала двухкилограммового тела наступила 4,09 миллиарда лет назад, около 15 миллионов лет назад удар астероида по поверхности Марса выбил его в космос, а около 13 тысяч лет назад он упал на Землю. Все эти даты были установлены с помощью различных методов изотопного анализа. Химический состав указывает на то, что формирование образца произошло в период наличия на Марсе жидкой воды: без нее он не смог бы образоваться в наблюдаемой форме / © Wikimedia Commons

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).

Большинство планов колонизации Марса, выдвинутых в последние десятки лет, не выдерживают перепроверки расчетами. Только сценарий с массовой наработкой суперпарниковых газов из материалов, доступных на поверхности планеты, представляется технически возможным / © NASA, NG

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 («холодный Марс — теплый и влажный Марс») происходили не раз. И их крайне трудно объяснить как-то иначе, чем наличием на планете большого объема СО2, связанного грунтом.

Как нагреть целый мир

Известно, 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.

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.

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, этот парниковый эффект позволит добиться там средней для планеты температуры до +15 (как на современной Земле).

Это не 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. 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.

Не менее трети поверхности современного Марса имеет близкие к поверхности залежи водного льда, прикрытого тонким слоем местного реголита. При достаточной степени нагрева планеты на месте таких залежей вполне могут образоваться озера / © Wikimedia Commons

Но мхи и лишайники — не самые быстрые фотосинтетические организмы. Быстро ими кислород не наработать. Ситуации могут помочь деревья: 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 минимального уровня кислорода хлореллу или какие-то подобные по качествам организмы.

Затем для массовой высадки деревьев надо будет подготовить почву, в чем большую роль сыграют упомянутые 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 возможно без кислородного баллона.

Впрочем, ходить по нему без скафандра при 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.

Шансы на запуск такого процесса, как ни странно, 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 они, защищает нас от губительной космической радиации, поэтому без магнитного поля планета не может поддерживать сложную жизнь.

Для колонизации Марса некоторые даже предлагают организовать вокруг него искусственное магнитное поле: оно возникнет, если из марсианских спутников извлечь достаточно частиц, затем ускоренных до существенных скоростей и образующих тор вокруг Красной планеты. Однако вся эта экзотика на самом деле не нужна: совсем не в космос улетела основная часть марсианской атмосферы. А значит, совсем не от космоса ее надо и защищать. Для подъема температуры, возвращающего в газовую оболочку Марса газы, связанные его грунтом, искусственное магнитное полет будет бесполезным / © Ruth Bamford

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. Ведь космическая радиация далеко не так сильна, и атмосфера защищает от нее ничуть не хуже 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 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.

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

Разработки таких центрифуг уже проводились в 1970-х в СССР, в пору подготовки к полету на Марс. Да, есть теоретический выход: люди могут жить на цилиндрах Кларка. 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.

Цилиндры Кларка могут быть неплохими колонизационными ковчегами для сверхдлительных полетов в другие звездные системы, своего рода «кораблями поколений». Но исторически человек склонен осваивать новые земли.

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

Источник

Подпишитесь на наш телеграм-канал https://t.me/history_eco

Публикация на Тelegra.ph

Еще по теме:

Колонизация космоса: Церера, Марс или цилиндры Кларка?

На кого работает Илон Маск?