Колонизация Марса

Этапы терраформирования Марса

Предполагаемый вид Марса после терраформирования

Колонизация Марса — создание поселений людей на планете Марс.

Колонизация космоса была бы важным шагом для будущего человечества. Марс является центром внимания как разнообразных предположений, так и серьёзных исследований в области возможных колоний.

Марс — планета, путешествие к которой с Земли требует наименьших энергетических затрат, если не считать Венеры. Путешествие по самой экономичной полуэллиптической орбите требует около 9 месяцев полёта; с повышением начальной скорости время полёта быстро сокращается, поскольку уменьшается и длина траектории.

К настоящему времени никаких практических шагов для колонизации Марса не предпринято, однако идёт разработка колонизации, например, проект Столетний космический корабль, разработка жилого модуля для пребывания на планете Deep Space Habitat.

Сходство с Землёй

• Марсианские сутки составляют 24 часа 39 минут 35,244 секунды, что очень близко к земным.
• Площадь поверхности Марса составляет 28,4 % земной — чуть меньше площади суши на Земле (которая составляет 29,2 % от всей земной поверхности).
• Наклон оси Марса к плоскости эклиптики составляет 25,19°, а земной — 23,44°. В результате этого на Марсе, как на Земле, есть смена времён года, хотя она и происходит почти в два раза дольше, поскольку марсианский год в 1,88 раза длиннее земного.
• У Марса есть атмосфера. Несмотря на то, что её плотность составляет всего 0,007 земной, она даёт некоторую защиту от солнечной и космической радиации, а также была успешно использована для аэродинамического торможения космического летательного аппарата.
• Недавние исследования НАСА подтвердили наличие воды на Марсе. Таким образом, условия на Марсе, похоже, достаточны для поддержания жизни.
• Параметры марсианского грунта (соотношение pH, наличие необходимых для растений химических элементов, и некоторые другие характеристики) близки к земным, и на марсианской почве теоретически можно было бы выращивать растения.
• Химический состав распространённых на Марсе минералов разнообразнее, чем у других небесных тел поблизости от Земли. По мнению корпорации 4Frontiers, их достаточно для снабжения не только самого Марса, но и Луны, Земли и астероидного пояса.
• На Земле есть места, в которых природные условия похожи на марсианские. Крайне низкие температуры в Арктике и Антарктиде сравнимы даже с самыми низкими температурами на Марсе, а на экваторе Марса в летние месяцы бывает так же тепло (+20 °C), как и на Земле. Также на Земле есть пустыни, схожие по виду с марсианским ландшафтом.

Различия

• Сила тяжести на Марсе примерно в 2,63 раза меньше, чем на Земле (0,38 g). До сих пор неизвестно, достаточно ли этого, чтобы избежать проблем, связанных с невесомостью.
• Температура поверхности Марса гораздо ниже земной. Максимальная отметка составляет +30 °C (в полдень на экваторе), минимальная — −123 °C (зимой на полюсах). При этом температура приповерхностного слоя атмосферы — всегда ниже нуля.
• На поверхности Марса пока не обнаружено воды в жидком агрегатном состоянии; следовательно, её нет или почти нет.
• В силу того, что Марс находится дальше от Солнца, количество достигающей его поверхности солнечной энергии примерно вдвое меньше, чем на Земле.
• Орбита Марса имеет больший эксцентриситет, что увеличивает годовые колебания температуры и количества солнечной энергии.
• Атмосферное давление на Марсе слишком мало, чтобы люди могли выжить без пневмокостюма. Жилые помещения на Марсе придётся оборудовать шлюзами, наподобие устанавливаемых на космических кораблях, которые могли бы поддерживать земное атмосферное давление.
• Марсианская атмосфера состоит в основном из углекислого газа (95 %). Поэтому, несмотря на её малую плотность, парциальное давление CO₂ на поверхности Марса в 52 раза больше чем на Земле, что, возможно, позволит поддерживать растительность.
• У Марса есть два естественных спутника, Фобос и Деймос. Они гораздо меньше и ближе к планете, чем Луна к Земле. Эти спутники могут оказаться полезными при проверке средств колонизации астероидов.
• Магнитное поле Марса слабее земного примерно в 800 раз. Вместе с разрежённой (в сотни раз в сравнении с Землёй) атмосферой это увеличивает количество достигающего его поверхности ионизирующего излучения.
• Обнаружение аппаратом Феникс, приземлившимся вблизи Северного полюса Марса в 2008 году, в грунте Марса перхлоратов ставит под сомнение возможность выращивания в марсианской почве земных растений без дополнительных экспериментов либо без искусственного грунта.
• Радиационный фон на Марсе в 2,2 раза превышает радиационный фон на Международной космической станции и приближается к установленным пределам безопасности для космонавтов (подробнее — ниже).

Пригодность для освоения

Время полёта с Земли до Марса (при нынешних технологиях) составляет 259 суток по полуэллипсу и 70 — по параболе. Без защитного снаряжения человек не сможет выжить на поверхности Марса и нескольких минут. Тем не менее, по сравнению с условиями на жарких Меркурии и Венере, холодных внешних планетах и лишённых атмосферы Луне и астероидах, условия на Марсе гораздо более пригодные для освоения. На Земле есть такие разведанные человеком места, в которых природные условия во многом похожи на марсианские. Атмосферное давление Земли на высоте 34 668 метров — рекордная по высоте точка, которой достиг воздушный шар с командой на борту (4 мая 1961 г.) — примерно соответствует давлению на поверхности Марса.

Основные сложности

Главные опасности, подстерегающие космонавтов во время полета к Марсу и нахождение на планете, следующие:

• высокий уровень космической радиации;
• сильные сезонные и суточные колебания температуры;
• метеоритная опасность;
• низкое атмосферное давление.

Возможные физиологические проблемы при нахождении на Марсе у экипажа будут следующие:

• стресс;
• адаптация к марсианской гравитации;
• ортостатическая неустойчивость после посадки на планету;
• нарушения деятельности сенсорных систем;
• нарушения сна;
• снижение работоспособности;
• изменения метаболизма;
• отрицательные эффекты от воздействия космической радиации.

Способы терраформирования Марса

Иллюстрация освоения Луны и Марса на совместном американо-советском почтовом блоке 1989 г.

Основные задачи

• Создание атмосферы с таким давлением, при котором вода могла бы существовать в жидком виде.
• Повышение температуры в экваториальной части планеты до +10° — +20°С (с помощью парникового эффекта, созданного перфторуглеродными соединениями).
• Создание аналога озонового слоя для защиты от ультрафиолетового излучения.
• Создание биосферы.
• Усиление магнитного поля планеты.
• Создание и поддержание условий для работы терраформеров.

Способы

• Управляемое обрушение на поверхность Марса кометы, астероида из Главного пояса (например Цереры) или одного из спутников Юпитера, с целью разогреть атмосферу и пополнить её водой и газами.
• Вывод на орбиту спутника Марса массивного тела, астероида из Главного пояса (например Весты) с целью активации эффекта планетарного «динамо», и усиления собственного магнитного поля Марса.
• Взрыв на полярных шапках нескольких ядерных бомб. Недостаток метода — возможное радиоактивное заражение выделенной воды.
• Помещение на орбиту Марса искусственных спутников, способных собирать и фокусировать солнечный свет на поверхность планеты для её разогрева.

Следует отметить, что последние два из вышеприведённых способов требуют основательных расчётов, направленных на изучение подобного воздействия на планету, её орбиту, скорость вращения и многое другое.

Но самой серьезной проблемой на пути колонизации Марса является отсутствие магнитного поля, защищающего от солнечной радиации. Для полноценной жизни на Марсе без магнитного поля не обойтись.

Радиация

Магнитное поле Марса слабее земного примерно в 800 раз. Вместе с разрежённой атмосферой это увеличивает количество достигающего его поверхности ионизирующего излучения. Радиационные измерения, проведённые американским беспилотным космическим аппаратом «Марс Одиссей», показали, что радиационный фон на орбите Марса в 2,2 раза превышает радиационный фон на Международной космической станции. Средняя доза составила примерно 220 миллирада в день (2,2 миллигрея в день или 0,8 грея в год). Объём облучения, полученного в результате пребывания в таком фоне на протяжении трёх лет, приближается к установленным пределам безопасности для космонавтов. На поверхности Марса радиационный фон будет, скорее всего, несколько ниже и может значительно изменяться в зависимости от местности, высоты и локальных магнитных полей. Жилые и рабочие помещения можно будет экранировать с помощью марсианского грунта, сильно понижая степень облучения людей во время их пребывания внутри комплекса.

Периодические солнечные протонные события (СПС) создают гораздо более высокие дозы облучения. Космонавтов на Марсе можно предупреждать о СПС сенсорами, находящимися ближе к Солнцу, чтобы они могли укрыться во время этих событий. Некоторые СПС, не замеченные околоземными датчиками, были засечены электроникой The Mars Odyssey с орбиты Марса, что позволяет сделать предположение о направленности СПС. Из этого предположения можно сделать вывод о необходимости сети детекторов вокруг Солнца для обеспечения своевременного обнаружения всех опасных для Марса СПС.

Марсоход NASA Mars Science Laboratory, доставленный на Марс 6 августа 2012 года, оборудован специальным детектором RAD, разработанным в целях оценки уровня радиационного фона красной планеты.

Пилотируемый полёт на Марс

Создание космического корабля для полёта к Марсу — сложная задача. Одной из главных проблем является защита космонавтов от потоков частиц солнечной радиации. Предлагается несколько путей решения этой задачи, например, создание особых защитных материалов для корпуса или даже разработка магнитного щита, подобного по механизму действия планетарному.

Столетний космический корабль

«Столетний космический корабль» (англ. Hundred-Year Starship) — проект безвозвратного направления людей на Марс с целью колонизации планеты. Проект разрабатывает с 2010 года Исследовательский центр имени Эймса — одна из основных научных лабораторий НАСА. Основная идея проекта состоит в том, чтобы отправлять людей на Марс безвозвратно. Это приведет к значительному сокращению стоимости полета, появится возможность взять больше груза и экипаж. Дальнейшие полёты будут доставлять новых колонистов и пополнять их запасы.

Связь с Землёй

Для общения с потенциальными колониями может использоваться радиосвязь, которая имеет задержку 3—4 мин в каждом направлении во время максимального сближения планет (которое повторяется каждые 780 дней) и около 20 мин. при максимальном удалении планет; см. Конфигурация (астрономия). Задержка сигналов от Марса к Земле и наоборот обусловлена скоростью света. Однако использование электромагнитных волн (в том числе световых) не даёт возможности поддерживать связь с Землей напрямую (без спутника ретрансляции), когда планеты находятся в противоположных точках орбит относительно Солнца.

Возможные места основания колоний

Наилучшие места для колонии тяготеют к экватору и низменностям. В первую очередь это:

• впадина Эллада — имеет глубину 8 км, и на её дне давление наивысшее на планете, благодаря чему в этой местности наименьший уровень фона от космических лучей на Марсе.
• Долина Маринера — не столь глубока, как впадина Эллада, но в ней наибольшие минимальные температуры на планете, что расширяет выбор конструкционных материалов.

В случае терраформирования первый открытый водоём появится в долине Маринера.

Колония (Прогноз)

Хотя до сих пор проектирование марсианских колоний не зашло дальше эскизов, из соображений близости к экватору и высокого атмосферного давления их обычно планируют основывать в разных местах долины Маринера. Каких бы высот в будущем ни достиг космический транспорт, законы сохранения механики определяют высокую цену доставки грузов между Землёй и Марсом, и ограничивают периоды полётов привязывая их к планетарным противостояниям.

Высокая цена доставки и 26-месячные межполётные периоды определяют требования:

• Гарантированное трёхлетнее самообеспечение колонии (дополнительные 10 месяцев на полёт и изготовление заказа). Его можно выполнить только накопив к первоначальному прилёту людей конструкции и материалы на территории будущей колонии.

• Производство в колонии основных конструкционных и расходных материалов из местных ресурсов.

Это означает необходимость создания цементного, кирпичного, ЖБИ, воздушного и водного производств, а также разворачивания чёрной металлургии, металлообработки и оранжерей. Экономия продуктов питания потребует вегетарианства. Вероятное отсутствие коксующихся материалов на Марсе потребует прямого восстановления оксидов железа электролизным водородом — и, соответственно, производства водорода. Марсианские пылевые бури могут на месяцы сделать непригодной для использования солнечную энергетику, что при отсутствии природного топлива и окислителей делает единственно надёжной, на данный момент, только ядерную энергетику. Крупномасштабное производство водорода и впятеро большее содержание дейтерия во льдах Марса по сравнению с земными приведёт к дешевизне тяжёлой воды, что при добыче урана на Марсе сделает самыми эффективными и рентабельными тяжеловодные ядерные реакторы.

• Высокая научная или экономическая продуктивность колонии. Похожесть Марса на Землю определяет большую ценность Марса для геологии, и при наличии жизни — для биологии. Экономическая выгодность колонии возможна исключительно при обнаружении крупных богатых месторождений золота, платиноидов или драгоценных камней.

Критика

Помимо основных аргументов критики идеи колонизации космоса человеком (см. Колонизация космоса), имеются и возражения, специфичные для Марса:

• На Земле есть целый материк, условия жизни на котором гораздо благоприятнее, чем на Марсе — Антарктида.
• У некоторых вызывает беспокойство факт возможного «загрязнения» планеты земными формами жизни. Вопрос о существовании (в настоящее время или в прошлом) жизни на Марсе до сих пор не решён.
• Существует мнение, что исследование Марса было бы экономичнее провести с использованием роботов. Но эта идея не исключает возможности дальнейшей колонизации.
• Многие предлагают Луну в качестве более логичного места для основания первой внеземной колонии. В дальнейшем эта база может быть использована для проведения экспедиций на Марс с участием человека.
• В качестве одного из основных аргументов против колонизации Марса приводится довод о его чрезвычайно малом ресурсе ключевых элементов, необходимых для жизни (в первую очередь это водород, азот, углерод).
• Слишком низкая температура поверхности Марса и низкое давление атмосферы заставляет искать выход в инновационных проектах систем жизнеобеспечения. Но, поскольку на земной поверхности не встречаются условия, сколько-нибудь близкие к марсианским, то проверить их экспериментально не представляется возможным. Это, в некотором отношении, ставит под сомнение практическую ценность большинства из них.
• Также не изучено долгосрочное влияние марсианской силы тяжести на людей (все опыты проводились либо в среде с земным притяжением, либо в невесомости). Степень влияния гравитации на здоровье людей при её изменении от невесомости до 1g не изучена. На земной орбите предполагается провести эксперимент («Mars Gravity Biosatellite») на мышах с целью исследования влияния марсианской (0,38g) силы притяжения на жизненный цикл млекопитающих.
• Вторая космическая скорость Марса — 5 км/с — довольно высока, хоть и в два раза меньше земной. Это повышает затраты на межпланетное перемещение грузов и затрудняет достижение уровня безубыточности колонии за счёт экспорта материалов.
• Вызывает опасение также и психологический фактор. Длительность перелета на Марс и дальнейшая жизнь людей в замкнутом пространстве на нём могут стать серьёзными препятствиями на пути освоения планеты.

В искусстве

• Советская песня «На марсе будут яблони цвести» (музыка В. Мурадели, слова Е. Долматовский).
• «Место жительства — Марс» (англ. Living on Mars) — научно-популярный фильм, снятый National Geographic в 2009 г.

См. также

• Марс (планета)
• Пилотируемый полёт на Марс
• Столетний космический корабль
• Терраформирование
• Гидросфера Марса
• Марс-500
• Mars One
• Deep Space Habitat
• Колонизация Луны

Ссылки

• Документальный фильм «Место жительства — Марс»
• Изучение Марса
• «Наш Марс». Специальный проект журнала «Популярная механика»
• К вопросу о коррекции климата Марса — научно-популярная статья Евгения Бобуха (eugenebo).
• «Что нам Марс?» — Статья С. Комарова
• Терраформирование, или останется ли Земля нашим домом
• К экспедиции на Марс готовятся в горах Испании — BBC Russian, 25 апреля 2011 г.
• Расчёт системы связи на Марсе
• Проект колонизации Марса «Mars Foundation» «Техножизнь» 2010