Пределы терраформирования: почему Марс останется Красной планетой в обозримом будущем

Ведущий научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА Слава Турышев в новой научной работе, доступной в виде препринта на платформе arXiv, представил исчерпывающий количественный анализ, который демонстрирует фундаментальную техническую невозможность терраформирования Марса доступными человечеству средствами в обозримом будущем. Исследование впервые столь детально показывает, что для создания даже минимального давления на поверхности потребуются объемы энергии и материалы, сопоставимые с массой небесных тел, что многократно превосходит текущие технологические и промышленные мощности Земли.

Даже когда впервые была выдвинута идея терраформирования Марса, она казалась очень сложной. Изменение окружающей среды целой планеты задача непростая. В последующие годы многие ученые и инженеры изучали эту проблему, и большинство пришли к одному и тому же выводу: мы не сможем в ближайшее время сделать Марс похожим на Землю. Новая статья хорошо объясняет, почему это так, превращая общие рассуждения о «колонизации» в строгие инженерные выкладки.

Прежде чем перейти к ограничениям, важно обозначить теоретические этапы, или, как их называет автор, «конечные состояния», необходимые для того, чтобы сделать Марс пригодным для жизни. Первое — это текущий вариант: экстремально холодный регион с минимальным атмосферным давлением, где невозможно жить без мощной системы жизнеобеспечения. Второе состояние подразумевает повышение поверхностного давления выше «тройной точки» воды примерно 6,1 миллибар при 0 градусах Цельсия (или температура 273,16 К (0,01 °C) и давление 611,7 Па) хотя бы на некоторое время. При таком давлении и температуре все три фазы воды могут сосуществовать в равновесии, что является ключевым для существования жидкой воды.

Следующая инженерная цель  — создание «теплицы», когда крупномасштабное земледелие может осуществляться на местном или региональном уровне. Обычно это предполагает использование массивных теплиц, что на Марсе на самом деле проще, поскольку более высокое давление (около 100 миллибар) внутри куполов поможет сохранить структурную целостность, противодействуя более низкому давлению снаружи. Этот метод часто называют «паратерраформированием», и при необходимости его можно масштабировать на всю планету.

Дальнейшее повышение общего атмосферного давления в конечном итоге приведет к глобальному давлению в 62,7 миллибар, чего достаточно, чтобы человеческая кровь не закипала на поверхности планеты. Это звучит как необходимость, если мы действительно собираемся «терраформировать» Марс для открытого нахождения людей без скафандров высокого давления. Последним шагом станет создание полностью пригодной для дыхания атмосферы с толстым азотным буфером и примерно 210 миллибар кислорода (и 500 миллибар общего давления), а также гораздо более высокой температурой.

Хотя эти цели могут показаться вполне разумными для такого масштабного проекта, как терраформирование планеты, масштаб становится по-настоящему пугающим, когда речь заходит о том, что на самом деле означает каждый из этих этапов. Например, чтобы поднять давление всего на 1 миллибар, потребуется добавить 3,89 × 10¹⁵ килограмм газа. Это почти эквивалентно всей массе Деймоса, меньшего спутника Марса. Для создания полноценной, пригодной для дыхания атмосферы потребуется около 10¹⁸ килограмм, как, например, масса у Януса, спутника Сатурна. Справедливости ради, стоит отметить, что в Солнечной системе, как ожидается, существуют сотни тел такого размера, поэтому ради создания атмосферы на планете, возможно, стоит пожертвовать одним из них, хотя сама логистика доставки таких масс представляет собой отдельную космическую задачу.

Но давление это лишь одна часть уравнения, другая часть — температура. Нам пришлось бы повысить температуру Марса в среднем на 60 градусов Цельсия, чтобы достичь глобально стабильных температур, при которых вода может растаять. Существует несколько способов сделать это, от впрыскивания в атмосферу наночастиц, поглощающих коротковолновое излучение, до выброса углекислого газа. Некоторые инженеры предлагали добавить массивные зеркала для концентрации солнечного света на Красной планете, но, по расчетама, потребуется около 70 миллионов квадратных километров зеркал, что намного превышает наши нынешние промышленные возможности и сравнимо с площадью целых континентов.

Для создания пригодной для дыхания атмосферы, потребуется произвести 8,2 × 10¹⁷ килограмм кислорода, а самый простой способ получить его путем расщепления воды. Для этого потребуется даже немного больше воды, поскольку в процессе превращения воды в кислород часть массы теряется в пользу водорода, из которого она образуется. Такое количество воды эквивалентно шести кубическим метрам воды на каждый квадратный метр поверхности Марса.

На поверхности Марса на самом деле достаточно воды для этого. Фактически, вся вода, необходимая для создания атмосферы, составляет лишь около 20 процентов от известного, легкодоступного поверхностного льда на планете. Поэтому некоторые из более экстремальных вариантов терраформирования, такие как столкновение водных комет с поверхностью планеты для создания океанов, озер и богатой кислородом атмосферы, вероятно, излишни. Но это может быть проще, чем альтернатива в виде строительства множества заводов по переработке.

Настоящим узким местом этого процесса является энергия. Для преобразования необходимого количества кислорода нам потребуется как минимум 1,2 × 10²⁵ Джоулей энергии. Даже в течение 1000 лет это потребует непрерывной выработки электроэнергии в 380 тераватт. Для понимания масштаба: это почти в 20 раз больше, чем наше нынешнее годовое глобальное потребление энергии на Земле. В действительности, без такого количества необходимой энергии не обойтись, и ее производство выходит за рамки наших нынешних возможностей на нашем уровне цивилизации. Автор подчеркивает эту пропасть между теорией и практикой, отмечая колоссальные энергозатраты.

Главный вывод работы Турышева заключается в том, что глобальное терраформирование Марса с помощью современных или даже прогнозируемых технологий является не просто сложным, а практически недостижимым в ближайшие столетия. Энергетические затраты настолько велики, что делают проекты по созданию полноценной биосферы на Красной планете уделом очень отдаленной цивилизации будущего.

Вместо этого исследование неявно поддерживает стратегию «паратерраформирования» — то есть создания самодостаточных герметичных поселений, которые могут существовать локально, не требуя изменения всей планеты. Это переводит дискуссию из области планетарной инженерии в область архитектуры и строительства автономных сред обитания, что выглядит гораздо более реалистичной дорожной картой для освоения Марса.