Колонизация и терраформирование Марса давно переросли рамки чистой научной фантастики, превратившись в амбициозные долгосрочные планы ведущих инженеров и космических агентств. Однако реальные физические, геологические и атмосферные ограничения Красной планеты заставляют ученых сомневаться в простоте реализации этой задачи. В новом аналитическом обзоре авторы научно-популярного канала PBS Space Time подробно разбирают, какие колоссальные ресурсы, технологии и объемы энергии действительно понадобятся человечеству, чтобы подарить Марсу вторую жизнь, и почему популярные медийные концепции могут оказаться неэффективными.
🔴 Суровая реальность Красной планеты 0:00
На сегодняшний день человечество обладает технологиями, позволяющими доставить людей на Марс и основать небольшие изолированные поселения в течение одного поколения. Однако эти базы будут вынуждены существовать в режиме полной изоляции от внешней среды из-за смертоносных условий на поверхности. Текущее атмосферное давление Марса составляет всего 0,6% от земного. Для незащищенного человека нахождение в такой среде означает мгновенную смерть: остановка системы кровообращения из-за декомпрессии произойдет менее чем за одну минуту.
Из-за критически разреженной атмосферы парниковый эффект на планете практически отсутствует. Солнечный свет, который из-за удаленности Марса и так светит слабее, не задерживается у поверхности и уходит обратно в космос. В результате средняя температура на планете держится на отметке около -60 градусов Цельсия. В таких условиях вода замерзает, но даже если бы планета была теплее, жидкая вода не смогла бы существовать на поверхности — из-за низкого давления она бы мгновенно сублимировалась, переходя из состояния льда сразу в газ. Кроме того, поверхность планеты полностью беззащитна перед опасными космическими лучами и жестким ультрафиолетовым излучением.
Данные марсоходов и орбитальных аппаратов неопровержимо доказывают, что в далеком прошлом Марс был теплой планетой с огромными запасами жидкой воды и плотной атмосферой. Главная проблема заключается в том, что планета потеряла свою газовую оболочку, а не просто впитала ее. Обладая массой всего в 11% от земной, Марс имеет слишком слабое гравитационное поле. Его небольшие размеры привели к тому, что металлическое ядро остыло и затвердело миллиарды лет назад, полностью отключив глобальное магнитное поле. Без этой защиты солнечный ветер на протяжении эпох буквально «сдувал» верхние слои атмосферы в открытый космос, что недавно было напрямую подтверждено наблюдениями космического аппарата NASA MAVEN.
🧪 Поиски углекислого газа: почему идея Илона Маска не сработает 4:14
В статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy, планетологи Брюс Якоски и Кристофер Эдвардс рассчитали возможность использования остаточных запасов углекислого газа ($CO_2$) для восстановления марсианской атмосферы. Используя данные аппаратов NASA Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Odyssey, исследователи сфокусировались именно на углекислом газе, так как он является единственной доступной в значимых масштабах парниковой молекулой на планете. По их мнению, технологии ближайшего будущего не способны вернуть Марсу полезную атмосферу.
Ведущий канала PBS Space Time предлагает рассмотреть три основных потенциальных источника углекислого газа на Марсе:
- Южная полярная шапка. Радарные исследования подтверждают, что она состоит из водяного льда глубиной в несколько километров, перемежающегося толстыми слоями замороженного $CO_2$. По расчетам ученых, если полностью испарить полярный углекислый газ, это в лучшем случае лишь удвоит текущую плотность атмосферы, чего все еще в 100 раз меньше необходимого минимума. Автор видео подчеркивает, что популярная идея Илона Маска сбросить на полюса термоядерные бомбы неосуществима — слои сухого льда залегают слишком глубоко, и одних лишь взрывов для их освобождения не хватит.
- Марсианский реголит. Поверхностная пыль на глубину до 100 метров способна абсорбировать газы. Однако в отличие от земной вечной мерзлоты, этот материал не растает просто так. Процесс выделения газов при нагреве планеты будет подчиняться законам термодинамического равновесия и затянется на 10 000 лет, обеспечив в итоге лишь 4% от необходимого земного давления.
- Карбонатные минералы в коре. Для выделения углерода из этих отложений их необходимо добывать открытым способом и нагревать до температуры около 300 градусов Цельсия. При этом масштабная разработка всех известных поверхностных месторождений карбонатов даст даже меньше газов, чем таяние полярных льдов.
⛏️ Проект планетарного масштаба: глубокие карбонаты и септиллионы джоулей 6:41
Единственной надеждой найти достаточные объемы коренного марсианского материала для воссоздания атмосферы остаются карбонаты, залегающие на глубине в несколько километров. Чтобы продублировать земное атмосферное давление, человечеству необходимо удержать около 10 000 килограммов газовой массы над каждым квадратным метром поверхности планеты.
Если представить, что по всей планете залегает доступный слой высокоплотного известняка (кальцита), который при нагревании или воздействии кислотой выделяет 44% своей массы в виде $CO_2$, масштаб работ поражает. Для получения 10 тонн газа на каждый квадратный метр придется раскопать всю поверхность Марса на глубину более 10 метров, переработав несколько квадриллионов тонн горной породы.
Для химической переработки такого объема известняка потребуется огромное количество кислоты. По оценкам автора, получить ее можно путем электролиза, задействовав около 20% всех запасов марсианской воды. Энергетическая стоимость такого проекта (независимо от того, используется термический нагрев или обработка кислотой) составит несколько септиллионов джоулей. Это в тысячи раз превышает суммарное годовое энергопотребление современной Земли.
Если человечество захочет завершить эти работы за жизнь одного поколения, масштабы инфраструктуры будут выглядеть следующим образом:
- Необходимо покрыть большую часть поверхности Марса солнечными батареями, произведенными из местного кремния.
- В качестве альтернативы солнечной энергии потребуется построить порядка 10 миллионов термоядерных электростанций гигаваттного класса.
- Вся эта безумная энергия должна направляться вглубь коры для питания колоссальных армий роботов-шахтеров и перерабатывающих заводов.
- Одновременно с этим потребуется перекачивать воду из полярных шапок по всей планете, что покроет Марс слоем воды глубиной около 30 метров (этого хватит на озера и реки, но недостаточно для полноценного океана и стабильного гидрологического цикла).
Даже в случае успеха получившаяся плотная атмосфера из углекислого газа и кислорода будет мгновенно и смертельно токсична для людей и животных. Первыми жителями планеты станут генетически модифицированные сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Они запустят фотосинтез и предотвратят быстрое выветривание кислорода, который иначе будет поглощаться окисляющимися породами марсианского реголита. Со временем здесь смогут жить «пост-люди», измененные генетически или кибернетически для дыхания в условиях избытка $CO_2$.
☄️ Доставка азота из пояса Койпера: 10 000 комет 11:08
Для создания по-настоящему полноценной, безопасной и аналогичной земной атмосферы планете необходим инертный газ-разбавитель, выполняющий роль буфера. Углекислый газ непригоден для дыхания, поэтому наилучшим решением является азот. Поскольку запасы собственного азота на Марсе ничтожны, авторы предлагают обратить взор на внешние границы Солнечной системы. Популярный в научных кругах сценарий предполагает контролируемую бомбардировку Марса кометами, в составе которых миссия Rosetta недавно подтвердила наличие молекулярного азота ($N_2$).
Если исходить из предположения, что азот составляет около 5% от общей массы кометного вещества, то типичная крупная комета несет в себе около 100 миллиардов тонн этого элемента. Для формирования марсианской атмосферы объемом в квадриллион тонн человечеству придется скорректировать орбиты и направить на планету около 10 000 комет.
Реализация такого плана потребует создания гигантского автоматизированного флота космических кораблей в поясе Койпера. Роботы должны будут аккуратно изменять траекторию движения ледяных глыб. По словам ведущего, точность этих маневров должна быть безукоризненной, ведь любая навигационная ошибка может направить ледяной астероид в сторону Земли, что вызовет катастрофические последствия. На развертывание флота и деорбиту комет уйдут столетия, однако масштабная бомбардировка решит и проблему дефицита воды, создав на Марсе глубокие глобальные океаны.
⛱️ Защитный зонтик и «Мир-Дом»: альтернатива полному терраформированию 13:04
После того как атмосфера будет создана (из подземных источников или путем бомбардировки), ее необходимо защитить от уничтожения солнечным ветром. Переплавить застывшее ядро планеты, чтобы перезапустить собственное динамо-эффект, невозможно. Однако ученые предлагают альтернативу: развернуть искусственный геомагнитный генератор в космическом пространстве между Марсом и Солнцем. Этот гигантский «космический зонтик» сможет отклонять потоки заряженных частиц.
Ведущий канала задается резонным вопросом: сможет ли человечество мобилизовать столь колоссальные ресурсы для изменения чужой планеты, если мы до сих пор не способны исправить экологические проблемы и восстановить климат на нашей родной Земле? Если классическое терраформирование окажется утопией, у инженеров есть гораздо более практичный план — пара-терраформирование, или создание концепции «Мира-Дома» (World House).
Вместо изменения климата целой планеты предлагается накрыть обитаемые области герметичными прозрачными куполами. Огромное количество взаимосвязанных пузырей высотой до 300 метров позволит разместить внутри полноценные города, транспортные магистрали и обширные зоны дикой природы.
Для борьбы с пониженной марсианской гравитацией, которая составляет лишь 38% от земной, в таких проектах планируется использовать концепцию James Telfa — города-центрифуги, где жилые модули вращаются на магнитной подвеске (маглев), имитируя привычную силу тяжести.
По оценкам специалистов, чтобы изолировать и сделать пригодными для жизни 10% поверхности Марса с помощью таких сооружений, потребуется на несколько порядков меньше строительных и газовых материалов, чем для создания полноценной планетарной атмосферы. Объемов полярных льдов или всего нескольких комет будет вполне достаточно, чтобы заполнить эти купола воздухом и водой. Главным вызовом для жителей таких «стеклянных домов» станет постоянная угроза со стороны микрометеоритов и космической радиации, что потребует изобретения принципиально новых, сверхтолстых и прочных полимерных материалов.
🧠 Космические дебаты: инфлатоны, темная энергия и индуцированное поле Венеры 16:00
В финальной части выпуска ведущий PBS Space Time уделил время ответам на вопросы аудитории по прошлым темам. Отвечая на вопрос пользователя Wabi-Sabi о природе инфлатонного поля, физики поясняют, что выбор скалярного поля обусловлен его простотой. Это базовый тип квантового поля, имеющий лишь одно численное значение в каждой точке пространства. Постоянная плотность его энергии способна запустить экспоненциальное расширение ранней Вселенной, хотя существуют и более сложные теоретические модели с векторными или спинорными полями.
Зритель Joshua Kaki высказал гипотезу о связи инфлатонов с темной энергией. Автор подтвердил, что это возможно: если в конце эпохи инфляции энергия поля упала не до абсолютного нуля, а зафиксировалась на минимальном положительном значении, то именно этот остаток может отвечать за наблюдаемое сегодня ускоряющееся расширение Вселенной. Однако для подтверждения этой теории поле должно было совершить переход между стабильными состояниями, отличающимися по мощности в колоссальные $10^{27}$ раз.
Интересную дискуссию вызвало замечание пользователя Earth Knight о физических свойствах Венеры. Несмотря на отсутствие у нее собственного магнитного поля, солнечный ветер, сталкиваясь с верхними слоями атмосферы, ионизирует их и наводит токи, создавая так называемое индуцированное магнитное поле. Этот наведенный щит частично защищает планету, отталкивая солнечные частицы, хотя он намного слабее земного. Ведущий с иронией добавил, что будущим венерианским «летающим городам» в облаках все равно понадобятся очень толстые защитные крыши.
В завершение выпуска ведущий подтвердил забавный парадокс земной навигации: географический Северный полюс Земли с точки зрения фундаментальной физики магнитов является южным магнитным полюсом, поскольку именно к нему притягивается северный (указывающий) конец стрелки любого компаса.
