Terraformavimas Marsą: etapai, masė, energijos iššūkiai

Įsivaizduokite stovint ant rūdžių spalvos lygumos ir pirmą kartą stebint lietų. Vanduo įsigeria į dirvą, kuri tūkstantmečiais buvo nuolat užšalusi. Tai scena, gyvenanti mokslinėje fantastikoje ir daugelio planetų tyrinėtojų viltimis. Realybė yra daug atsparesnė.

Realistinis vaizdas visiškai terraformuoto Marso. 

Penki etapai ilgame kelyje

Kai inžinieriai kalba apie Marso padarymą tinkamu gyventi, jie neturi omenyje vienos finišo linijos. Vietoj to yra keli atskiri etapai, žymintys pažangą - kiekvienas jų eksponentiškai sunkesnis už ankstesnį. Praktinis veiksmų planas dažnai skirstomas į penkias fazes.

Etapai link tinkamumo gyventi

• Dabartinis Marsas: šaltas, retas oras ir priešiškos paviršiaus sąlygos, verčiančios žmones gyventi slėgiuose palaikomuose būstuose ir lauke dėvėti gyvybės palaikymo kostiumus.
• Trumpalaikis skystas vanduo: padidinti paviršinį slėgį virš vandens trigubos taško (apie 6,1 milibaro esant 0 laipsnių Celsijaus), kad vanduo paviršiuje galėtų egzistuoti, net jei ir laikinai, kaip skystis.
• Paraterraformavimas arba gyvenimo be apsaugos šiltnamiai: uždari regionai su didesniu vidiniu slėgiu ir temperatūra, kur didelės apimties žemės ūkis ir patogus gyvenimas įmanomi be pilno planetos transformavimo.
• Visuotinis slėgis, pakankamas neleisti kūno skysčiamsvirti įprasto žmogaus temperatūroje, maždaug 62,7 milibaro, tai fiziologinis žingsnis į platesnį žmogaus mobilumą be specialios įrangos.
• Tikrai kvėpuojama atmosfera: stora, azotu turtinga plėvelė su maždaug 210 milibarų deguonies dalimi viduje bendro slėgio maždaug 500 milibarų ir gerokai šiltesnėmis globaliomis temperatūromis.

Kiekvienas iš šių žingsnių yra svarbus, nes jie keičia infrastruktūrą, kurią žmonėms reikės statyti, reikalingą energiją ir laikotarpį, per kurį galima pasiekti savarankiškumą. Pirmieji du etapai yra bauginantys, bet lokaliai pasiekiami. Paskutiniai du reikalauja planetinio masto intervencijų.

Masa ir temperatūra: atmosferos aritmetika

Skaičiai dažnai sutvarko fantazijas. Norint prie Marso pridėti vos 1 milibarą atmosferinio slėgio, reikia pristatyti apie 3.89 × 10^15 kilogramų dujų. Tai beveik Deimoso, mažesniojo Marso palydovo, masė.

Norint sukurti kvėpuojamą atmosferą, kokią turime Žemėje, reikalinga masė išauga iki maždaug 10^18 kilogramų, kas prilygsta kai kuriems mažiems tolimųjų Saulės sistemos palydovams.

Temperatūra yra kita nekompromisinė kintamoji. Globaliam stabiliam skystam vandeniui reikėtų pakelti Marso vidutinę temperatūrą maždaug 60 laipsnių Celsijaus. Siūlomi inžineriniai sprendimai svyruoja nuo šviesą sugeriančių dalelių įpurškimo į atmosferą iki anglies dioksido nukreipimo ar masinių orbitinių veidrodžių statymo, kad sutelktų saulės šviesą. Tačiau mastas glumina: skaičiavimai rodo, kad reikėtų veidrodžių, dengiančių apie 70 milijonų kvadratinių kilometrų, kad būtų pasiekta reikalinga saulės spinduliuotės didinimo lygis, o jų gamyba ir dislokacija stulbina dabartinę pasaulinę pramonę.

Deguonies gamyba priduria dar vieną sunkumo sluoksnį. Norint pasiekti atmosferą, kurioje kraujas nevirs ir žmonės galėtų lengviau kvėpuoti, reikia apie 8.2 × 10^17 kilogramų deguonies. Paprasčiausias šaltinis yra vanduo, suskaidytas į vandenilį ir deguonį. Šis procesas praranda dalį masės dėl išeinančio vandenilio, todėl vandens poreikis dar labiau išauga, maždaug šeši kubiniai metrai vandens kiekvienam Marso paviršiaus kvadratiniam metrui, vidutiniškai.

Yra šiek tiek gerų naujienų: tyrėjai vertina, kad Marso prieinamas paviršinis ledas galėtų aprūpinti didžiąją dalį vandens, reikalingo deguonimi praturtintos atmosferos sukūrimui. Kitaip tariant, nereikėtų organizuoti dešimčių kometų smūgių vandeniui importuoti iš kitų Saulės sistemos vietų. Vis dėlto, net jei žaliavos egzistuoja lokalizuotai, jų surinkimas ir apdirbimas planetiniu mastu išlieka monumentali techninė ir logistinė problema.

Energija: neperžengiama riba

Masa ir medžiagos yra sudėtingi, bet konceptualiai įveikiami, jei galima skirti pakankamai energijos. Energija yra tikrasis butelio kaklelis. Norint pagaminti deguonį, reikalingą kvėpuojamai atmosferai, reikia maždaug 1.2 × 10^25 džaulių. Išskaidžius per tūkstantmetį, tai reiškia pastovų galios išskyrimą maždaug 380 teravatų. Palyginimui, žmonijos dabartinis bendras energijos vartojimas yra maždaug dvidešimtąja dalimi tokio pastovaus lygio.

Atvirai sakant: net jei ateities kartos įsipareigotų tūkstantmečio trukmės programai nuolat dirbti, joms reikėtų generuoti ir skirti energijos srautą, kuris gerokai viršytų šiandienines pasaulines sistemas. Būtini nauji, didelio masto energijos šaltiniai - galvokime apie dideles erdvines saulės baterijų sistemas, pažangią sintezę arba kitas dar nebrendusias technologijas.

Energijos kliūtis taip pat paaiškina, kodėl etapinis požiūris patrauklus. Kompaktiškų, aukšto efektyvumo būstų ir paraterraformavimo kupolų statyba gali suteikti akimirkos, lokalią naudą be visos planetos transformacijos. Šie inkrementiniai projektai tarnauja kaip fizikos ir inžinerijos problemų laboratorijos ir tuo pačiu suteikia gyventi tinkamą erdvę apgyvendintiesiems.

Eksperto įžvalga

"Terraformavimas nėra vienas inžinerinis projektas; tai civilizacijos masto uždavinys," sako dr. Elena Morales, planetų mokslininkė, dirbusi su atmosferos modeliavimu misijų planuotojams. "Per kelis dešimtmečius galime padaryti Marsą tam tikruose kišenėse gyventi tinkamą, bet visos planetos pavertimas Žemės analogas reikalauja daug didesnės masės ir energijos. Tai reiškia ilgas laiko gaires, nuolatinę politinę valią ir technologijas, kurios greičiausiai atsiras nebent po kelių šimtmečių."

Jos vertinimas atitinka neseną Slavos Turyshevo analizę NASA Jet Propulsion Laboratory, paskelbtą APS Open Science, kurioje išskaičiuojami aritmetiniai ir fizikiniai šių teiginių pagrindai. Išvada: vietinė adaptacija ir galingi, nuolatiniai energijos šaltiniai bus svertai, kurie nulems, ar terraformavimas liks tik minčių eksperimentu, ar taps daugkartinės kartos projektu.

Išvados

Galime drąsiai pasakyti, kad planetos pavertimas panašia į Žemę fiziškai nėra uždraustas fizikos. Medžiagos egzistuoja ir procesai esminėmis detalėmis žinomi. Trūksta sutelktos energijos ir pramoninio pajėgumo perkelti ir transformuoti planetinio masto masę. Inkrementinės strategijos - paraterraformavimas, kupolai ir regioninė klimato inžinerija - yra realistiškos ir būtinos pirmosios priemonės.

Terraformuoti Marsą fiziškai įmanoma, tačiau praktiškai greičiausiai užtruks šimtmečius, jeigu nebus revoliucinių proveržių energijos ir gamybos srityse.

Tokia realybė nemažina Marso patrauklumo. Ji perorientuoja tikslą. Jei ateities tyrinėtojai bus kantrūs, metodiški ir išradingi, Raudonoji planeta gali ateityje įgauti mėlynas vietas ten, kur šiandien ji yra tik raudona.