Еще в 2016 году Илон Маск представил свой план по колонизации Марса. Согласно ему, первые экипажи должны были полететь на красную планету уже в 2024 году. На бумаге все выглядело отлично, но на дворе сейчас тот самый 2024 год, и что-то никаких подвижек не ощущается. Почему?
Мы уже рассказывали в одном из предыдущих материалов про хронологию и причины колонизации. Теперь давайте попробуем порассуждать и разобраться, какие факторы мешают нам, людям, в ближайшем будущем жить и выращивать картошку на Марсе. Если не согласны или думаете, что автор что-то забыл — смело делитесь в комментариях.
Проблема №1. Гравитация
Марс меньше Земли примерно в два раза. Его экваториальный радиус составляет 3400 км — это 53,2% от земного. Масса красной планеты отличается еще сильнее и составляет 6,4⋅1023 кг — это лишь 11% от массы Земли. Если мы обратимся к классической теория тяготения Ньютона, то станет ясно, что все тела на планете будут испытывать меньшую силу притяжения. Ускорение свободного падения на Марсе составляет 3,7 м/с2 — в 2,6 раза меньше земного.
Казалось бы, в чем тут проблема? Ведь в этом случае любые космические корабли должны будут развивать меньшую вторую космическую скорость, чтобы оторваться от поверхности и улететь домой. Это позволит двигателям работать при взлете на меньшей мощности, потреблять меньше топлива и так далее. А для человека на поверхности это чем страшно? Ну будет он подпрыгивать выше при ходьбе, да и все?
На самом деле все не так просто. Исследования показывают, что длительное воздействие на организм низкой гравитации, подобной марсианской, приводит:
К потере костной массы — от 1 до 1,5%. Плотность и прочность нашего скелета снижается, а значит, он неспособен выдерживать прежние нагрузки. Повышается риск получения травмы.
Атрофии постуральных мышц — их ещё называют антигравитационными. Это все, что позволяет удерживать наше тело в вертикальном положении. Меньшая сила тяжести приводит к тому, что они буквально «растренировываются».
Перераспределению жидкости в организме. Классическая проблема — опухшее лицо и отсутствие вкуса и обоняния.
Проблемам с сердечно-сосудистой системой — сердце вынуждено перекачивать кровь с меньшим усилием, чем заложено природой в условиях земной гравитации.
Конечно, изменения организма на Марсе не настолько сильные, как в условиях микрогравитации на той же МКС. А никто из космонавтов-рекордсменов по времени пребывания на орбите, вроде нашего Геннадия Падалки, не стал инвалидом за 878 суток после возвращения на Землю.
Да, не стал, но проходил долгий период адаптации. Да и жить люди на красной планете при колонизации будут не 2-3 года, как рекордсмены на МКС, а десятилетиями. Взрослый организм, разумеется, приспособится — куда ему деваться? Но как это повлияет на здоровье в будущем, не говоря о воздействии на организм растущих детей колонистов (а они неизбежно будут появляться) — большой вопрос. Все это требует дополнительных исследований.
Как можно решить. Например, использовать центрифуги, которые будут искусственно увеличивать силу тяжести и поддерживать организм в тонусе. Пускаем большой поезд по кольцу, живем и спим в нем. Правда откуда-то придется брать энергию для движения этого поезда.
Проблема №2. Радиация
У Земли есть радиационный пояс Ван Аллена, который защищает нас от опасного космического излучения — например, галактических космических лучей (ГКЛ), которые возникают из-за взрыва сверхновых звезд. Защита образуется благодаря наличию у нашей планеты магнитного поля.
У Марса же этого радиационного пояса нет из-за особенностей строения, как и у Венеры с Меркурием. Из-за этого космическое излучение ничем не задерживается и воздействует на все предметы, находящиеся на поверхности планеты. Причем удаленность Марса от Солнца мало улучшает ситуацию.
Орбитальный космический корабль НАСА «Марс Одиссей» с 2001 года проводит исследования красной планеты благодаря прибору «Марсианский радиационный эксперимент» (или МАРИ). Из показаний стало понятно, что средний уровень радиации составляет 0,7 мЗв/сутки и может колебаться от 0,35 до 1,15 мЗв. Эти же данные подтвердили и последующие исследования марсоходов вроде Curiosity.
Для сравнения естественный уровень поглощения на Земле — 2,4 мЗв в год (!!!). То есть человек на поверхности Марса за 2-3 дня наберет земную дозу за год. Это в 2-3 раза больше, чем получаемая доза космонавтов на МКС — а напомним, что они не живут там десятилетиями, как будущие колонизаторы Марса.
Если прибавить к этой дозе ту, что космонавты получат во время полета (0,7 зиверт за 350 суток), то цифра накопленного излучения станет совсем пугающей. Последствия хорошо известны: лучевая болезнь и высокий риск развития онкологических заболеваний.
Как можно решить. Во-первых, разработать эффективную и одновременно легкую радиационную защиту космических кораблей, чтобы защитить космонавтов от ГКЛ. Например, сейчас активно разрабатываются композитные материалы и полимеры, которые существенно снизят дозу во время перелета.
А во-вторых, для длительной защиты от радиации во время пребывания на поверхности придется построить подземные укрытия с очень толстыми стенами, как в земных бункерах. Но для этого придется доставить за миллионы километров мощную строительную технику и обеспечить ее топливом для работы — об этом еще поговорим ниже.
Совсем уж фантастический вариант — это создать искусственные магнитные полюса и организовать пояс Ван Аллена для целой планеты. Исследования также ведутся, но реализации уж точно не стоит ожидать в ближайшие десятилетия.
Проблема №3. Температура
Жизнь на Земле возможна во многом благодаря идеальной удаленности от Солнца, наклону оси, периоду вращения и так далее. Комбинация этих факторов и обеспечивает оптимальный для жизни температурный режим.
С Марсом ситуация несколько иная. Он расположен на значительно большем удалении — период его обращения вокруг Солнца составляет 687 земных суток. На поверхность планеты падает максимум 590 Вт/м2 — это гораздо меньше, чем на Земле. По этой причине среднесуточная температура на поверхности составляет -53 ˚C и варьируется от -128 ˚C ночью до +27 ˚C в полдень, совсем недолго. Очевидно, что это непригодные для жизни человека колебания температуры.
Графики температуры воздуха и поверхности, полученные с аппарата Curiosity
Как можно решить. Первый вариант попроще: делать обогреваемые модули на поверхности. Правда, откуда-то придется брать энергию для нагрева огромного пространства, где будут жить колонисты.
Еще вариант — закапываться под поверхностью на нужную глубину, где колебания температуры не будут столь существенными и можно будет греться от ядра Марса. Его температура по оценкам РАН составляет порядка 1000 ˚C, но как распределяется температурный градиент, точно неизвестно. Поэтому о глубине остается лишь гадать.
Но в любом случае речь идет не о сотнях метрах, а о нескольких (может быть и десятках) километров. И на такой глубине придется строить подземный город, что само по себе — невероятный вызов.
Также высказываются совсем невероятные теории уже из разряда терраформирования: нагреть атмосферу Марса, установив на орбите огромные зеркала диаметром 125 км для концентрации солнечной энергии. С учетом обилия углекислого газа в атмосфере, за счет парникового эффекта это позволило бы поднять температуру до приемлемых значений.
Проблема №4. Атмосфера
Газовый состав атмосферы Земли идеально подходит для жизни. Воздух на 78% состоит из азота, на 21% — из кислорода, и 1% приходится на прочие газы. Углекислого газа всего 0,03%. И как все слышали, его увеличение приводит к климатическим проблемам. Давление составляет 1013,25 мбар. Даже незначительное отклонение от этой величины для неприспособленного организма чувствуется сразу. Достаточно подняться в гору или нырнуть поглубже, чтобы ощутить это на себе.
На Марсе же атмосфера намного более разреженная, а газовый состав не порадует ни одного колониста: 95% углекислого газа, 2,7% азота, 1,6% аргона и всего 0,14% кислорода. Давление составляет всего 6-7 мбар — это 0,5% от земного и ниже предела Армстронга. Человек без костюма, выравнивающего давление, и системы подачи воздуха не сможет существовать.
Хочется проиллюстрировать это фрагментом из «Вспомнить все» 1990 года:
Как можно решить. Иметь достаточный запас воздуха на несколько лет и инженерное оборудование, которое будет создавать достаточное для человека давление в костюмах и в помещениях. Правда, воздух имеет свойство заканчиваться, и его придется доставлять с Земли.
Еще интересный вариант проверяют в ходе эксперимента MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) на марсоходе Perseverance. Специальное устройство извлекает кислород из атмосферы при помощи твердооксидного электролиза. В случае успеха это позволило бы уменьшить зависимость от транспортировки с Земли.
С точки же зрения терраформирования все намного сложнее. Например, на полярных шапках Марса есть значительные запасы водяного льда и замороженного углекислого газа. Илон Маск предложил сбросить ядерные заряды над ними, чтобы высвободить эти запасы и увеличить давление до приемлемого уровня (а заодно и поднять температуру из-за увеличения парникового эффекта).
Однако это не решит проблему изменения газового состава воздуха — углекислого газа станет только больше. Да и последние исследования показывают, что высвобождение всех запасов на Марсе позволит увеличить давление только на 7% от земного, чего явно недостаточно. Да и вообще, кажется, Маск просто пошутил.
Проблема №5. Песчаные бури
Вообще-то Марс — совсем не красного цвета, если посмотреть на фотографию сверху. Но такое ощущение создается, если взглянуть на планету в телескоп, поскольку в атмосфере присутствуют частицы пыли и марсианского реголита, смешанных с частицами оксида железа.
Из-за тепловых градиентов и неравномерного нагрева поверхности на Марсе образуются ветра, которые перемешивают пыль и создают в воздухе взвесь. Иногда это действительно напоминает пылевые бури. Однако из-за того, что плотность атмосферы очень низкая, а водяного пара, которые связывал бы частицы, нет, никакого разрушительного воздействия такие бури не несут.
Пылевая буря из фильма «Марсианин» вряд ли смогла вызвать такие последствия в реальности
Главная проблема — это снижение интенсивности солнечного света, а также засорение поверхности солнечных панелей. По этой причине во время сильнейшей пылевой бури инженеры НАСА снижали энергопотребление марсохода Opportunity — чтобы дождаться, когда батареи снова смогут подзаряжаться.
Как можно решить. Если не брать в расчет совсем уж утопические идеи терраформирования вроде «Свяжем пыль водой», то ответ простой — не надеяться на энергию солнца. Тем более уровень инсоляции (облучение поверхностей солнечным светом (солнечной радиацией)) на Марсе не самый высокий, о чем мы говорили выше.
Лучший вариант — иметь альтернативные источники энергии и мощные аккумуляторы, которые позволят протянуть колонистам до окончания бури.
Проблема №6. Вода
Вода — самая привычная вещь для жителя Земли. Ведь наша планета покрыта ей на 70%: вокруг моря, океаны, реки и озера. На Марсе такого нет. И хотя красная планета вдвое меньше Земли, площадь суши у нее такая же.
Как ни странно, запасы воды на Марсе есть и немаленькие — около 5 млн кубических километров. Для примера объем воды в Черном море — в 10 раз меньше, 550 000 кубических километров. Большая часть известных запасов марсианской воды сконцентрирована на полярных шапках в замороженном виде. Если этот лед растопить, то воды должно хватить на многие десятилетия жизни большой колонии.
Карта, составленная аппаратом «Марс Одиссей» на основе спектрального исследования водорода. Чем больше его концентрация на поверхности, тем больше замороженной воды под грунтом
Проблема заключается в том, что из-за низкой температуры и низкого же давления вода не может существовать в жидком состоянии. Из твердого она сразу переходит в газообразное из-за сублимации.
Как можно решить. Ученые НАСА разрабатывают способ, как превращать лед сразу в пар при помощи микроволнового излучения, собирать его и дальше в нормальных условиях (например, на станции при обычном атмосферном давлении) преобразовывать в жидкую фазу.
Но в перспективе это могло бы решить проблему не только запасов воды, но и еды. Ведь гидропонику никто не отменял, да и эксперименты показали, что в марсианском грунте-реголите можно выращивать культуры из-за достаточно уровня pH и минерализации. А еще — при помощи электролиза можно разлагать воду на кислород и водород в качестве топлива, питающего станцию колонистов.
Проблема №7. Метеориты
Земля надежно защищена от падения небольших космических объектов вроде метеоритов или мусора. Из-за плотной атмосферы они сгорают до того, как упасть, и не представляют опасности для человечества. Конечно, бывают исключения вроде Челябинского метеорита. Но в целом не сравнить с количеством падений метеоритов на поверхность Марса.
Каждый год на красную планету падают до 200 метеоритов из-за того, что атмосфера Марса достаточно разреженная, и космические объекты не успевают в ней сгореть. Поэтому вся поверхность покрыта тысячами кратеров. Какова вероятность, что метеорит может упасть на поселение колонистов? Возможно, не такая высокая, как погибнуть от радиации, но все-таки.
Как можно решить. Если основной объем станции колонистов будет располагаться под поверхностью (например, для защиты от радиации и для поддержания температуры), то метеоритов можно не бояться.
Конечно, можно вспомнить сценарий фильма «Армагеддон» и иметь наготове боевой корабль и смелого командира-бурильщика с лицом Брюса Уиллиса. Ну или запастись боевыми спутниками на орбите, которые будут изменять траекторию астероидов при помощи лазеров. Но кажется, что все это — не самая важная проблема в деле колонизации Марса.
Проблема №8. Строительство
Атмосфера Марса крайне недружелюбная: космическая радиация, низкая температура, непригодный для жизни состав воздуха и прочее. Чтобы люди могли жить в подобных условиях, придется построить много сооружений. От технических конструкций, которые будут добывать воду или вырабатывать электроэнергию, до жилых комплексов с толстыми стенами, защищающих колонистов от ГКЛ.
Еще сложнее, если город придется все-таки создавать на глубине нескольких километров. Как и чем его рыть? Откуда брать строительные материалы? И так далее.
Для примера марсоход Curiosity стоимостью 2,5 миллиарда долларов весил всего 900 кг. А доставить огромный экскаватор или стройматериалы весом десятки тонн на расстояние 55 млн километров — задача во много раз более дорогостоящая. Пока что из современных ракет-носителей самым мощным является Starship — в перспективе он сможет перевозить до 150 тонн полезной нагрузки на Марс. Но для стройки такого масштаба явно потребуется не одна «ходка».
Как можно решить. Самым простым решением видится модульная конструкция по типу МКС. Один рейс — скажем, модуль для добычи воды из грунта. Другой рейс — жилой отсек и радиационные щиты. Ну и так далее. Причем в идеале собираться все должно в автоматическим режиме, чтобы колонисты прибыли и сразу же разместились внутри города, а не занимались сборкой месяцами в условиях пылевых бурь и космического излучения.
Другой подход — минимизировать количество рейсов и вес полезной нагрузки, используя для строительства по-максимуму марсианские ресурсы. Ученые из университета в Манчестере придумали, как создать новый тип бетона на основе реголита и связующего звена в виде крахмала (например, при выращивании картофеля). Причем с неплохой прочностью на сжатие до 25 МПа. Конечно, пока очень много вопросов — но концепция «не везти все с собой» достаточно интересная.
Проблема №9. Энергия
Без стабильных и надежных источников энергии на Марсе нечего делать. Ведь без электричества невозможен, например, жизненно важный электролиз воды. Если полагаться только на солнечные панели, то пылевая буря, растянувшаяся на месяц-другой, может привести к быстрой смерти колонистов от жажды, холода или недостатка кислорода.
Как можно решить. Есть несколько способов выработки энергии на Марсе. Вот лишь некоторые:
Солнечная энергия — хороший запасной вариант, на который не стоит сильно полагаться из-за уже обозначенных выше длительных пылевых бурь и в целом низкой инсоляции.
Ветровая — казалось бы, скорость ветра на Марсе может достигать 100 км/ч. Почему бы не использовать генераторы? Однако из-за очень низкой плотности атмосферы эффективность подобных установок крайне невысока. Хотя некоторые ученые и не теряют надежды.
Ядерная (РИТЭГ) — надежный, мощный и долговечный источник тепловой энергии, не зависящий от пылевых бурь. Ученые НАСА уже разработали реактор Kilopower, который работает по принципу двигателя Стирлинга и намного эффективнее РИТЭГ. При делении U235 выделяется тепло, которое передается по трубкам, заполненным жидким натрием. Выходная мощность достигает 10 кВт, срок службы — 10 лет.
Водородная — если на Марсе будут добывать воду и подвергать ее электролизу, то одним из источников энергии может стать метан. Его получают при помощи процесса Сабатье, как на МКС: смешивают водород в присутствии катализатора с CO2, который в избытке содержится в марсианской атмосфере. Метан также может использоваться для дозаправки ракет-носителей с метановым двигателем Raptor на тех же кораблях Starship.
Геотермальная — тоже возможный вариант, но из-за достаточно холодного ядра планеты и отсутствия активных подземных источников, эффективность будет намного ниже, чем на Земле.
Проблема №10. Психология
После всех перечисленных проблем меньше всего хочется думать о психологическом состоянии колонистов. Ну серьезно, какое еще одиночество или тоска по дому? О космонавтах на МКС как-то не было упоминаний, что кто-то из них лечился от затяжной депрессии или испытывал психологические трудности.
Но на самом деле психологические проблемы есть. Они достаточно подробно описаны в научной статье журнала Clinical Neuropsychiatry. Например:
Чувство одиночества — приходится проводить много времени с незнакомыми людьми в ограниченном пространстве. Должна быть высокая психологическая совместимость экипажа.
Тревога из-за внешних факторов — чувство, что может закончиться воздух, отказать двигатель, прерваться связь или заболеть из-за высоких доз радиации. Причем человек ничего не может предпринять, чтобы это исправить.
Невозможность уединиться — многим людям хочется побыть наедине с собой. В условиях космического полета это почти невыполнимая задача.
Сбой циркадных ритмов — из-за избыточного количества света в модулях, шума от работы оборудования, низкой гравитации.
В случае колонизации Марса люди могут столкнуться с тем же самым стрессом и усталостью, только в больших масштабах. Все-таки полет на околоземную орбиту или пребывание на МКС длятся относительно недолго, максимум несколько месяцев. Космонавты точно знают, что вернутся на Землю. А вот колонисты вряд ли еще когда-то увидят родную планету: искупаются в океане или полежат на зеленой траве, слушая шум ветра. Согласитесь, многих такая мысль может угнетать. Дополнительная проблема — сигнал с Земли проходит с задержкой порядка 20 минут, поэтому рассчитывать на быструю помощь «центра» не приходится.
Как можно решить. НАСА планирует уделять психологической подготовке много времени. Например, заранее воспроизводить атмосферу станции на Марсе в мельчайших деталях, размещать там группу будущих колонистов и смотреть, как они поведут себя в разных стрессовых ситуациях.
Ведь на самом деле цена ошибки огромная — если кто-то с кем-то поругается и не дай бог кого-то покалечит или убьет, не справившись с эмоциями, это поставит всю миссию на грань катастрофы.
В статье мы не рассмотрели самую важную проблему — целесообразности колонизации в принципе. Как считаете, стоит ли человечеству и Илону Маску в частности заниматься подобным проектом? Или лучше обратить внимание на колонизацию Антарктиды или подводного мира, ведь они намного ближе?
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
