«Фьорды! — воскликнул Слартибартфаст. — Я их обожаю! Особенно хороши норвежские. Я за них премию получил». Дуглас Адамс, «Автостопом по Галактике»
В мае Илон Маск представил план марсианской программы SpaceX под названием The Road to Making Life Multiplanetary в Starbase, Техас. Согласно ему, в 2026-м планируется отправить на красную планету первый беспилотный Starship. А долгосрочная цель — миллион колонистов под поверхностью, причем первых планируется доставить уже к 2030 годам. Локация — равнина Аркадия с запасами водяного льда.
При этом у миссии немало спорных моментов: не продуман процесс дозаправки кораблей на орбите, не решен вопрос адаптации к жизни колонии в изоляции (помните, как от безысходности колонисты погружаются в психоделический туман Chew-Z в «Стигматах» Филипа Дика?). Словом, хороший повод подумать об альтернативе — терраформировании планеты для будущего глобального переселения.
Этот текст — фантазия больших таймспенов про то, как силами первых колоний и технологий будущего оживить мертвый Марс, про новый дом и про лазерный дизайн планет.
Но для начала давайте разберемся, почему Марс так популярен.
Почему Марс?
Чтобы найти ответ, достаточно изучить пятерку кандидатов на терраформирование в Солнечной системе:
Планета/спутник | Плюсы | Проблемы |
Марс | Близко, вода, рельеф | Разреженная атмосфера, радиация |
Венера | Размер как у Земли, много CO₂ | Температура +460 °C, давление 90 бар, нет воды |
Титан | Атмосфера из азота, углеводороды | Очень холодно (−180 °C), низкая гравитация |
Каллисто (спутник Юпитера) | За пределами радиационного пояса, лед и скалы | Слабая гравитация, малая энергия от Солнца |
Луна | Близко, доступна, стабильная орбита | Нет атмосферы, экстремальные перепады температур |
В таблицу можно также добавить Европу, которая хоть и содержит многообещающий подледный океан, но попадает под воздействие колоссальной радиации Юпитера.
Таким образом, Марс на сегодня — оптимальный кандидат для освоения. Он сухой и холодный, но находится относительно близко, имеет атмосферу (пусть и тонкую), близкую к земной длину дней и ночей, а также воду в виде льда.
Марс и Земля в сравнении:
Параметр | Марс | Земля |
Диаметр | 6 791 км (4 220 миль) | 12 742 км (7 918 миль) |
Сутки | 24 часа 37 минут | 24 часа |
Сила тяжести | 3,71 м/с² (38% от земной) | 9,81 м/с² |
Атмосферное давление | ~610 Па (0,006 бар) — менее 1% земного | ~101 325 Па (1 бар) |
Среднее расстояние от Земли | 225 млн км (140 млн миль) | — |
Возраст | 4,5 миллиарда лет | 4,54 миллиарда лет |
Время полета от Земли | ~6–9 месяцев (в зависимости от окна запуска) | — |
Ближайшие окна запуска | 2026, 2028, 2030, 2033, 2035 | — |
Этап 1. Атмосфера
Марс высохший и безжизненный. У него нет почвы для растений. Атмосфера слишком разреженная — дышать невозможно, а радиация опасна. Поэтому задача номер один — создать на Марсе атмосферу, похожую на земную. То есть с содержанием:
20% кислорода,
80% азота,
небольшого количества CO₂,
а также с оптимальной температурой 14 °C (средняя температура Земли) и давлением 1 бар (земное давление на уровне моря).
Чтобы оживить Марс, его придется сначала сжечь.
Распаковка красного цвета
4 миллиарда лет назад на Марсе были океаны и густая атмосфера. Потом ядро планеты остыло, она потеряла магнитное поле, а затем и атмосферу. Сегодня Марс — бесплодная пустыня. Но большая часть воды до сих пор заморожена в глубинных водоемах и на полюсах — этого достаточно для образования мелкого океана. Также в марсианских породах в связанном виде содержится много кислорода (например, в оксидах железа, придающих реголиту красный цвет) и углекислого газа (в карбонатах). Почему бы не выплавить эти вещества назад в атмосферу, частью которой они когда-то были?
Примерные расчеты
Вводные
Масса земной атмосферы — 5,15*10^18 кг, из них кислород — ~1,08*10^18 кг. Марсианская кора в среднем содержит до 13% Fe₂O₃ (оксидов железа) по массе.
Примерная плотность верхней коры ~3000 кг/м³.
Из каждого кубометра при плавлении пород можно извлечь 750 кг кислорода (эта цифра примерно подтверждается термохимическими оценками).
Толщина слоя для плавления — 8 метров. Тогда с каждого квадратного метра поверхности мы можем извлечь ~6 тонн кислорода.
Площадь поверхности Марса:
145000000 км² = 1,45*10^14 м²
Объем породы в верхних 8 метрах:
V = 1.45*10^14 м²*8 м = 1,16*10^15 м³
Общая масса кислорода (при плотности 750 кг/м³):
O2 = 1.16*10^15 м³*750 кг/м³ = 8,7*10^17 кг
Таким образом, реголиты дадут нам 8,7*10^17 кг кислорода, или примерно 80% от земной концентрации этого газа в атмосфере (~1,08*10^18 кг).
Лазеры и орбитальные зеркала
Чтобы высвободить кислород для дыхания и углекислый газ для парникового разогрева планеты, нужно разрушить химические связи с помощью термолиза, т. е. под воздействием высоких температур. Иными словами, нужно расплавить поверхность Марса. Высвобождение кислорода потребует примерно 6,5*10^15 ТВт·ч энергии (7,5 МВт·ч на 1 кг кислорода). Этого можно добиться, используя систему солнечно-насосных лазеров. Такая система питается напрямую от Солнца с помощью сети орбитальных зеркал, фокусирующих свет.
Для получения близкого к земному количества кислорода (8,7*10^17 кг, см. расчеты под катом) лазеры будут плавить верхние 8 метров марсианской поверхности. Небо затянет бурей, поверхность сделается ярко-красной от жара, по ней потечет лава. После пекла поверхность быстро остынет и станет черной. Пойдет странный снег — осадки из элементов кремния и железа, затвердевших при охлаждении.
Побочным эффектом станет подъем водяного пара от полярных ледников и подземных водоемов — он устремится в небо, образуя облака и проливные дожди. Они смоют вредные газы вроде хлора и удалят с поверхности токсичные вещества. В результате образуются неглубокие океаны, соленее земных. Возможно, придется провести дополнительную очистку.
Плавка будет длиться долго — десятки или даже сотни лет. Но время можно использовать с умом — например, вырыть траншеи под реки и решить, какие природные объекты оставить без изменений.
Масс-драйверы и импорт с Титана
Итак, атмосфера уплотнилась и разогрелась, но она очень горюча и опасна для дыхания, почти полностью состоит из кислорода, а ее давление всего 0,2 бара. Для получения земных пропорций ее, согласно расчетам выше, нужно разбавить примерно 3*10^18 кг азота, которого на Марсе очень мало — приблизительно в 6420 раз меньше, чем необходимо.
Пока самый популярный концепт — доставка азота со спутника Сатурна Титана, где азота в атмосфере 98%. В этом могли бы помочь заводы по сбору и сжижению газа (технологии уже существуют + Титан обладает подходящей для сжижения температурой — −179 °C). Электромагнитные катапульты (масс-драйверы) могли бы выбрасывать контейнеры с азотом на орбиту (на Титане слабая гравитация, что как раз кстати), откуда те кораблями-тягачами отправлялись бы к Марсу и сбрасывались в атмосферу (срок полета с нынешними технологиями — 1–1,5 года).
Магнитный ускоритель масс (масс-драйвер) на Луне — концепт-арт
Да, звучит фантастически, но миссия Кассини к Сатурну тоже когда-то казалась фантастикой. Срок такого проекта при запуске 400+ капсул в день по 100 тысяч тонн каждая (соразмерно емкости нефтяного танкера) — около двух земных веков. При наличии постиндустриальных технологий (лазеры и зеркала, ядерка, непрерывные автономные ИИ-управляемые процессы и логистика) и хорошей долговременной стратегии это осуществимо.
Этап 2. Биосфера
Атмосфера есть, теперь пора взяться за создание биосферы. Это очень тонкий процесс, где любое неверное движение может закончиться катастрофой. Эпидемии, чрезмерное разрастание растений, приводящее к остыванию планеты, вымирание ключевых видов, нарушение пищевых цепочек — все это может разрушить хрупкую искусственную экосистему.
Начать лучше всего с заселения свежеобразовавшихся океанов фотосинтезирующим фитопланктоном. Он устойчив к экстремальным условиям и без конкуренции быстро размножится, заложив основу пищевой цепи. За ним придет очередь зоопланктона, затем — примитивных рыб типа акул и организмов-экстремофилов (возможно, генно-модифицированных, как в романах Питера Уоттса). Если нам повезет, жизнь в океанах расцветет.
С сушей все сложнее. По сути, и на Земле континенты выросли из застывшей лавы, но затем прошли тысячи лет и сформировалась богатая питательными веществами почва. На Марсе почвы нет. Можно ждать тысячелетия, пока образуются глины и илы, в которых способны поселиться бактерии, а можно снова использовать лазер. Смена периодов нагрева и охлаждения поможет лаве растрескаться, а при добавлении воды на поверхности образуется темная грязь. В ней уже приживутся грибы и азотфиксирующие бактерии, которые превратят атмосферный азот в нитраты для питания растений. В качестве первых видов можно выбрать растения с вулканических островов Земли, мхи, папоротники и лишайники — они хорошо адаптированы к лавовым почвам.
Со временем обогащенная почва станет основой для лугов и лесов. В условиях пониженной гравитации деревья вырастут высокими. Их корни широко и быстро разрастутся и раскрошат породу, создав самоподдерживающуюся экосистему. После этого можно вводить другие растения, насекомых и животных.
Биосферу нужно будет исследовать и поддерживать непрерывно тысячи лет, иначе она выйдет из равновесия. На Земле ее стабилизируют миллионы видов, так что эта стратегия для Марса недоступна. Но зато теперь некогда красная, а теперь черно-сине-зеленая планета станет комфортным местом для жизни.
Осталось последнее — новый дом для homo sapiens должен устоять под натиском солнечного ветра.
Этап 3. Магнитный щит
Ядро Марса не создает магнитного поля, и это ключевая причина потери атмосферы и высокой радиации на планете. По сути, атмосферу просто сдувает (этот эффект называется «атмосферная эрозия»). Последним шагом терраформирования должно стать конструирование искусственного генератора поля. Оно не обязано быть таким же, как земное (~6*10^-5 Тл), — достаточно, если оно сможет отклонять солнечный ветер. Самый простой способ — разместить магнитный щит в точке Лагранжа L1 между Солнцем и Марсом (~1 миллион км от Марса).
Чтобы экранировать ветер, то есть оказать на него достаточное магнитное давление, хватит порядка 10^-5 Тл на поверхности. Это немного, куда меньше, чем человек получает при МРТ. Однако реализовать такое решение непросто. Так, например, щит нужно расположить в миллионе километров от Марса, а конструкция (сверхпроводящая, кстати) должна иметь радиус в десятки километров, чтобы не терять энергию. Потребуется постройка не только самого щита, но и огромных криосистем с мощными источниками питания. Тем не менее, проект рассматривается NASA.
Готово!
Голубой Марс готов. В общей сложности на полное терраформирование планеты ушло несколько сотен лет. С одной стороны, это очень долго, но с другой — сравнимо со сроками возведения Кельнского собора, эпическими шестью столетиями (минус страх Апокалипсиса).
Человечество умеет воплощать в реальность сложные проекты, вполне готово к масштабным программам и куда меньше, чем раньше, боится дьявола. Главное — не позволить гравитации обыденности одержать верх и все-таки иногда, задрав голову, смотреть на звезды.
Альтернативы и усилители эффекта
Вот еще несколько решения для терраформирования Марса:
Марсианский глиттер. Наночастицы железа и алюминия могут помочь «запереть тепло» и разогреть атмосферу.
Управление вулканами — для контролируемого выброса водорода и углекислого газа.
Бомбардировка астероидами.
Инъекция в атмосферу искусственных супергазов с высоким парниковым потенциалом. Могут работать в тандеме с лазерами.
