Терраформирование Марса физически возможно: разбор новой дорожной карты и главных рисков проекта
Изменение климата Марса долгое время обсуждалось исключительно в теоретическом формате. Однако снижение стоимости вывода грузов на орбиту и повышение точности климатических моделей позволили перевести этот вопрос в инженерную плоскость.
Группа специалистов из ведущих исследовательских центров США, включая Чикагский университет, Массачусетский технологический институт (MIT) и Лос-Аламосскую национальную лабораторию, опубликовала детальную дорожную карту. Этот документ представляет собой анализ того, какие физические процессы необходимы для повышения температуры на планете, какие технологии могут это обеспечить и с какими непреодолимыми на данный момент ограничениями сталкивается наука.
Цель опубликованного исследования больше не в призыве к немедленному изменению планеты, а в систематизации знаний. Ученые определили последовательность действий и экспериментов, которые позволят точно сказать: возможно ли создать на Марсе условия для жидкой воды и сколько это будет стоить.
Физика температурного баланса
На сегодняшний день Марс представляет собой холодную пустыню. Средняя температура на поверхности составляет минус 63 градуса Цельсия. Планета находится в тепловом равновесии: она получает от Солнца энергию мощностью около 1.6 x 10¹⁶ ватт и ровно столько же энергии излучает обратно в космическое пространство в виде инфракрасных волн.
Для того чтобы на поверхности мог существовать жидкий океан или хотя бы стабильные озера талой воды, планете нужно дополнительно удерживать 1.3 x 10¹⁶ ватт энергии. На практике это означает необходимость повышения температуры поверхности примерно на 35 градусов.
Традиционный подход, предполагающий доставку парниковых газов с Земли, признан технически невыполнимым. Для создания нужного эффекта потребуются сотни миллионов тонн специализированных газов (например, фторсодержащих соединений). На самом Марсе нет достаточного количества нужных химических элементов для их производства. Поэтому дорожная карта предлагает три альтернативных метода, основанных на использовании местных ресурсов и управлении солнечной энергией.
Метод первый: локальные теплоудерживающие материалы
Самый реалистичный сценарий на ближайшие десятилетия — это не изменение климата всей планеты, а локальное повышение температуры в местах высадки будущих экспедиций. Для этого предлагается использовать твердые прозрачные материалы, которые пропускают видимый свет от Солнца, но блокируют выход теплового излучения от нагретого грунта.
Главным кандидатом на эту роль является аэрогель на основе диоксида кремния. Это чрезвычайно легкий пористый материал. Расчеты показывают, что слой аэрогеля толщиной всего три сантиметра способен повысить температуру марсианского грунта под ним на 60 градусов.
Такие материалы планируется размещать над участками, где радары зафиксировали наличие льда под поверхностью. Нагрев приведет к таянию льда и его переходу в парообразное состояние. Водяной пар не сможет уйти в атмосферу сквозь материал и будет собираться в специальных конденсационных установках. Это обеспечит будущие базы питьевой водой, кислородом и ресурсами для создания ракетного топлива.
Основная проблема данного метода — логистика. Доставка готового аэрогеля с Земли обойдется в миллиарды долларов даже для покрытия площади в один квадратный километр. Поэтому главной задачей исследователей становится разработка технологий синтеза аэрогеля или аналогичных прозрачных полимеров непосредственно на Марсе из местной почвы и атмосферы.
Метод второй: орбитальные отражатели
Второй подход предполагает размещение крупных отражающих конструкций на орбите Марса. Их задача — направлять дополнительный солнечный свет на заданные участки поверхности.
На начальном этапе отражатели площадью в несколько квадратных километров могут обеспечивать дополнительной энергией и светом исследовательские базы. В глобальном масштабе их планируют использовать для нагрева Южного полюса Марса. Если направить сфокусированный свет на полярные ледяные шапки, состоящие из замерзшего углекислого газа, начнется процесс интенсивного выделения газа в атмосферу. Это приведет к уплотнению атмосферы и запуску масштабного потепления.
Инженерная сложность этого метода заключается в массе. Чтобы проект был финансово оправдан, отражатели должны быть экстремально легкими — весить не более 20 граммов на один квадратный метр. Кроме того, они должны функционировать как космические паруса. Это означает, что после вывода на околоземную орбиту они должны самостоятельно добраться до Марса, используя давление солнечного света вместо традиционных двигателей и химического топлива. Создание материалов, способных перенести такой перелет и сохранить ровную отражающую поверхность, все еще сложнейшая техническая задача.
Метод третий: искусственные атмосферные частицы
Третий и самый масштабный метод — распыление в атмосфере искусственно созданных частиц (аэрозолей). Естественная марсианская пыль охлаждает планету, так как отражает солнечный свет обратно в космос. Инженерам необходимо создать частицы другой формы: они должны беспрепятственно пропускать солнечное излучение вниз, но блокировать тепло, которое Марс пытается излучать вверх.
Для производства таких частиц рассматриваются два источника сырья:
- Металлы из марсианского грунта. Лабораторные тесты показали, что микроскопические структуры из железа, магния или алюминия обладают нужными физическими свойствами для удержания тепла.
- Углерод из атмосферы. Марсианский воздух на 95 процентов состоит из углекислого газа. С помощью специальных установок газ можно расщеплять, добывая из него чистый углерод. Из этого углерода предлагается формировать микроскопические диски.
Для глобального повышения температуры потребуется поддерживать в воздухе около трех миллионов тонн таких частиц. Главная научная проблема здесь — время нахождения частиц в атмосфере. В естественных условиях микроскопические элементы быстро слипаются друг с другом и падают на поверхность. Чтобы метод работал, частицы должны удерживаться в воздухе не менее четырех месяцев. В противном случае производство не будет успевать восполнять потери.
Логистические барьеры и автономное производство
Все предложенные концепции сталкиваются с одним и тем же препятствием — высокой стоимостью транспортировки грузов в космосе. Даже при оптимистичном сценарии, если стоимость доставки упадет до 2000 долларов за килограмм, привезти на Марс готовую инфраструктуру для изменения климата будет невозможно из-за колоссального объема требуемых материалов.
Поэтому дорожная карта делает акцент на технологиях переработки местных ресурсов. Для реализации любого из планов потребуются полностью автономные фабрики. Эти роботизированные предприятия должны будут самостоятельно добывать грунт, извлекать из него нужные химические элементы и производить аэрогель, аэрозоли или компоненты оборудования. На сегодняшний день технологий автономного строительства и производства такого уровня надежности не существует.
Этапы исследований и безопасность
Авторы документа настаивают на поэтапности. Программа исследований разбита на несколько шагов:
- Компьютерное моделирование и лабораторные испытания на Земле. На этом этапе тестируются формы аэрозольных частиц и скорость их оседания в условиях марсианского давления.
- Орбитальные испытания возле Земли для проверки надежности легких космических парусов.
- Микроэксперименты на Марсе. Они предполагают распыление нескольких сотен граммов искусственных частиц или развертывание нескольких квадратных метров теплоудерживающих материалов для сбора точных данных.
- Создание первого малого роботизированного завода на поверхности планеты.
Критически важным аспектом является обратимость всех процессов. Если эксперимент пойдет не по плану или вызовет непредвиденные пылевые бури, последствия должны сойти на нет естественным путем за короткое время.
Также дорожная карта учитывает правила планетарной защиты. До начала любых работ, способных повысить температуру на планете, необходимо провести исчерпывающие поиски микробиологической жизни на Марсе (например, глубоко под землей). Если окажется, что Марс обитаем на уровне микроорганизмов, планы по изменению его климата будут пересмотрены или отменены, чтобы не уничтожить чужую биосферу.
В заключении исследователи отмечают, что даже если проект потепления Марса никогда не будет реализован, сами поиски решений принесут огромную пользу. Разработка новых легких материалов, создание компактных автономных производств и точное моделирование климатических процессов — это технологии, которые найдут широкое применение в промышленности и экологии на Земле.
Источник:arXiv