Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
23.01
«Чудесные круги» в пустыне Намиб можно смоделировать

19.01
Чтобы ослабить атаку Т-клеток, опухоль меняет набор неоантигенов

17.01
Ученые разгадали тайну хиолитов — загадочных палеозойских животных

16.01
Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот

11.01
Многолетнее исследование черных ворон в Испании выявило преимущества коммунального гнездования






Главная / Библиотека / Из Книжного клуба версия для печати

«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги

Стивен Петранек


Как мы будем жить на Марсе

Стивен ПЕТРАНЕК

Как мы будем жить на Марсе

(Stephen L. Petranek. How We’ll Live on Mars)
CORPUS, 2015 г.

Возможный сценарий колонизации Красной планеты.


Глава 6. Жизнь на Марсе

Чтобы выжить на Земле, человеку нужны четыре вещи: пища, вода, жилье и одежда. Чтобы выжить на Марсе — пять: пища, вода, жилье, одежда и кислород. Если нам удастся найти надежные источники этих пяти важнейших ресурсов, будущее человечества как межпланетного вида будет обеспечено.

Проблема воды

Всего четыре минуты без кислорода грозят мозгу необратимыми повреждениями, а пятнадцать минут — это предположительный порог смерти от кислородного голодания. Однако никто не ожидает, что на Марсе найдется хоть сколько-нибудь существенное количество кислорода. Значит, нам придется производить его, а добыть кислород можно только из воды — если мы сумеем ее найти. В случае удачи кислород можно будет получить несколькими способами, в том числе с помощью обыкновенного электролиза, пропустив через воду электрический ток. Таким образом, вода является наиважнейшим элементом для выживания человека на Марсе, при этом она слишком тяжелая, чтобы мы могли привезти ее с Земли. Если на Марсе нет необходимого количества воды, жить там будет невозможно.

Много лет назад, когда различные спускаемые и орбитальные аппараты были всего лишь набросками на бумаге, NASA положило в основу своих исследований Марса важный принцип: «следовать за водой». Речь тогда не шла о колонизации планеты, но это правило должно было помочь в поисках инопланетной жизни. Нет воды — нет жизни. Какая ирония: желание NASA выяснить, есть ли жизнь на Марсе, по сути, привело нас к совершенно другому выводу — на Марсе может быть жизнь. Человеческая жизнь.

Данные, полученные с различных аппаратов, в том числе с «Кьюриосити», «Марс Реконнессанс Орбитер» (Mars Reconnaissance Orbiter), «Марс-Одиссей» (Mars Odyssey), «Марс-Экспресс» (Mars Express) и даже зондов «Викинг» (Viking), которые запускались еще в 1970-е годы, указывают на то, что на Марсе в самом деле есть вода. Однако лишь после того, как зонд «Феникс» (Phoenix) в 2008 году опустился на ледяную шапку северной полярной области, было с абсолютной точностью установлено, что на Марсе есть водяной лед и что его легко найти в марсианской почве, называемой реголитом.

Хотя площадь поверхности Марса составляет лишь около 28% земной, площадь суши на обеих планетах почти одинаковая, ведь 70% поверхности Земли покрыто океанами, озерами и реками. На Марсе вода почти ничего не покрывает, за одним очень важным исключением: на сухой поверхности планеты, возможно, имеется более одного миллиона кубических миль воды, но почти вся она — в виде льда. Значит, жидкая вода может появляться на Марсе время от времени при особых атмосферных условиях, однако до тех пор, пока атмосфера не станет более плотной, а температура на поверхности не повысится, жидкая вода будет оставаться редкостью.

Большая доля замерзшей воды находится на северном и южном полюсах Марса, отчасти она похоронена под замерзшей углекислотой. Если бы вся эта вода растаяла, Марс был бы покрыт океаном глубиной в сотни метров. Это, конечно, очень много воды, однако намного меньше, чем когда-то было на поверхности планеты, если верить геологическим исследованиям. На Марсе десятки тысяч речных долин и множество крупных высохших озер. Возможно, когда-то треть планеты покрывали океаны. Часть нагорья Элизий, обширной вулканической области вблизи экватора, может оказаться морем пакового льда размером с земное Северное море.

Похоже, что лед на Марсе имеется в изобилии, но оценки того, сколько водяного льда содержится в реголите, сильно разнятся — от 1 до 60%. На Красной планете есть множество маленьких ледяных озер, и многие из них находятся в экваториальном поясе. Замерзшие водоемы были бы весьма удачной находкой для первых поселенцев.

Часть воды, которая когда-то свободно текла по планете, скорее всего, испарилась и улетучилась в космос, когда Марс потерял атмосферу. Многое об этом нам рассказал аппарат «МАВЕН» (MAVEN), который сейчас находится на орбите Красной планеты. Значительная часть воды, оставшейся на Марсе, возможно, просочилась под поверхность, но бо́льшая ее часть, скорее всего, превратилась в лед и осталась на поверхности. Если критерием благосостояния для первых марсианских колонистов будет доступность водных ресурсов, то их, пожалуй, ожидает нешуточное богатство. Если бы Марс в самом деле был таким засушливым и безводным, каким он казался в телескоп или на изображениях, полученных с первых межпланетных станций, то нам, возможно, пришлось бы сосредоточиться на колонизации гораздо менее гостеприимной планеты — Венеры.

Поиск воды на Марсе пока что не кажется сложной задачей, но вот превратить лед в жидкость первым поселенцам будет очень нелегко — прежде всего потому, что это потребует огромных затрат энергии и человеческого труда. Большая часть добытой воды, скорее всего, окажется льдом, смешанным с реголитом. То есть это будет вечная мерзлота, которую без отбойного молотка не победить. И даже после этого для получения жидкой воды могут потребоваться горнорудные технологии и соответствующая мощная техника, пожирающая огромное количество топлива. Так что первым колонистам очень повезет, если они найдут озерцо чистого льда.

Лучший из всех возможных сценариев — это такой, в котором переселенцы находят жидкую воду. Она вполне может скрываться в недрах планеты. Хотя по этому поводу существует множество спекуляций, реального положения дел никто не знает. Первые астронавты должны быть готовы бурить скважины (по крайней мере, на умеренную глубину) в надежде найти водоносный слой. Извлечь воду с поверхности Марса или из скважины — это, конечно, не такая хитрая штука, как ракеты, однако здесь потребуется специальное оборудование, в том числе печи и устройства для дистилляции (иначе в результате бурения вокруг скважин появятся ледяные горы из подземной воды, которая замерзнет в ту же секунду, как поднимется на поверхность).

Согласно одному из сценариев, первым колонистам придется вручную вырубать из поверхности блоки реголита, хотя впоследствии на грузовом корабле будут доставлены небольшие бульдозеры и грузовики, и это позволит увеличить объем работы, которую сможет выполнять каждый колонист. Смесь льда и реголита будут помещать в печи и нагревать, пока вода не превратится в пар, а затем дистиллировать и фильтровать ее до состояния питьевой. Придется разбираться с большим количеством отходов производства, и процесс потребует немало энергии — какой-то объем предоставят солнечные батареи, но, скорее всего, для основной части работы потребуется компактный ядерный реактор.

< . . . >

Проблема кислорода

Теперь займемся проблемой кислорода. Если в вашем скафандре закончится кислород, то вы (не считая азота) начнете вдыхать тот же углекислый газ, который выдыхаете, — пока не потеряете сознание. А там недалеко и до гибели. Человек не может долго дышать воздухом, в котором более 5% двуокиси углерода, отчасти потому, что у нас есть такой защитный механизм — от избытка углекислого газа мы теряем сознание.

С этой точки зрения Марс кажется весьма негостеприимным местом — ведь в его атмосфере почти совсем нет кислорода. «Воздух» Марса, по данным марсохода «Кьюриосити», полученным в 2012 году, содержит примерно 2% азота, 2% аргона, 95% углекислого газа и ничтожные количества угарного газа (СО) и кислорода. Показатели слегка варьируются в зависимости от времени года, поскольку в зимние месяцы часть газов на полюсах замерзает, а весной снова испаряется. Однако, хотя свободного кислорода в атмосфере планеты меньше одного процента, на самом деле на Марсе полно кислорода. Дело в том, что углекислый газ (CO2) по атомной массе на 28% состоит из углерода и на 72% из кислорода. И если атмосфера Марса на 95% состоит из CO2, значит, не меньше 70% общей массы марсианского «воздуха» составляет кислород. И хотя плотность атмосферы Марса достигает лишь 1% от плотности земной атмосферы, это все равно немало.

В воде, которую первые поселенцы будут добывать на Марсе, кислорода еще больше — он составляет примерно 89% от массы воды. А земляне уже давно научились с помощью простой технологии, которая называется электролиз, расщеплять молекулы воды и получать кислород. Для этого нужно всего лишь опустить два электрода в сосуд с водой, пропустить через воду электрический ток и... вуаля! Кислород можно собирать на одном конце резервуара, у анода, а водород — на другом, у катода. Практически каждому школьнику приходилось выполнять на лабораторной работе по химии эксперимент с электролизом.

Кстати, водород — это отличное топливо и превосходный источник энергии, поэтому у этого процесса есть и дополнительные преимущества: водород и кислород, разделенные, а затем смешанные определенным образом, превращаются в идеальное ракетное топливо. Проблема же, с которой придется столкнуться первым колонистам на Марсе при использовании электролиза, только одна, зато ее крайне сложно решить — эта технология требует огромного количества электроэнергии.

< . . . >

На Земле мы дышим воздухом, который состоит примерно на 78% из азота и на 21% из кислорода. Человек в принципе способен дышать самыми разными комбинациями газов, в том числе смесью гелия и кислорода, но не смесью 20% кислорода и 80% CO2. Чтобы смесь с кислородом была пригодна для дыхания, ее вторым компонентом должен быть не вступающий в реакции (инертный) газ, такой как аргон или гелий. Азот обычно к инертным газам не относят, однако связь между двумя атомами в молекуле азота так сильна, что он чаще всего не вступает в реакцию с другими веществами.

Проблема пищи

Одно из важнейших условий для выживания человека на Марсе — наличие пищи. Агрономическая наука высоко развита во многих странах, в том числе и в Соединенных Штатах, и множество ученых посвятили годы попыткам понять, как мы сможем выращивать пищу на Марсе (колонисты будут вегетарианцами, нравится им это или нет, потому что разводить животных намного менее продуктивно). Если первые поселенцы высадятся в районе экватора, днем там будет достаточно тепло для надувных теплиц. Их нужно будет хорошо изолировать и обогревать с помощью пассивного солнечного отопления, например накапливающих тепло камней, на весь день выставленных на солнце, а в ночное время придется также подключать электрическое отопление, чтобы компенсировать резкое падение температуры. Стандартные марсианские сутки вблизи экватора — это примерно двенадцать часов дневного света и двенадцать часов темноты.

Кроме того, растениям потребуется более плотная атмосфера, чем та, что в настоящее время есть на Марсе. Ботаники расходятся во мнениях по поводу точных значений давления внутри марсианских теплиц, но предполагается, что достаточно одной десятой атмосферного давления Земли. Эксперименты, проведенные на МКС, показали, что растения могут расти в невесомости, но никто не знает наверняка, как повлияет на них гравитация Марса, составляющая примерно 38% земной.

Мы достаточно знаем о марсианском реголите, чтобы уверенно предполагать, что по большей части из него получится хорошая почва, хотя это будет в некоторой степени зависеть от конкретного местоположения реголита. Образцы, изученные марсоходами, и анализ астероидов, которые прилетели на Землю с Марса, указывают, что на поверхности Красной планеты есть минерал смектит, который часто встречается на Земле и используется, например, в составе наполнителей для кошачьих туалетов. Этот минерал легко поглощает воду и может быть полезным для выращивания растений. Однако марсианская почва, возможно, окажется слишком кислой или слишком щелочной и потребует реабилитации, а также насыщения питательными веществами вроде азота. Гидропоника (выращивание растений без почвы, в воде с питательными веществами) будет самым надежным способом успешно получить урожай сельскохозяйственных культур — при условии, что воду легко будет добывать и держать в жидком состоянии.

< . . . >

Недавний пятидесятидневный эксперимент в теплице в Нидерландах, проведенный под эгидой нидерландского министерства экономики, позволил с оптимизмом взглянуть на возможность выращивания сельскохозяйственных культур на Марсе, хотя в нем не учитывались пониженная гравитация и разница в количестве солнечного света. NASA предоставило голландцам почву с Гавайских островов и из Аризоны, которая, по мнению агентства, схожа с марсианским реголитом. Из семян было выращено около четырех тысяч двухсот растений, и каждое семя, посаженное в смоделированную марсианскую почву, дало всходы. Кресс-салат, помидоры, рожь и морковь оказались в числе видов, лучше всего принявшихся в «марсианской» почве, которая, как и ожидалось, отлично удерживает воду. Ведутся и другие испытания, в том числе эксперименты канадских ученых на острове Девон и в теплицах Марсианского общества в штате Юта.

Независимо от того, насколько мы преуспеем в выращивании пищи на Марсе, в первые дни она будет составлять лишь малую часть рациона. Большинство продуктов питания колонисты привезут с Земли. «Думаю, мы никогда не достигнем того, чтобы на Марсе выращивалось сто процентов необходимой пищи, — признает Вермюлен. — Честно говоря, будет хорошо, если нам удастся выращивать пять-десять процентов еды. Это отличное начало». Отчасти причина в том, что теплицы и агротехника — вещи очень громоздкие и требующие слишком много энергии. А когда речь идет о космических путешествиях и жизни на другой планете, масса и энергия решают все.

Проблема жилья и одежды

Точно так же, как растениям первое время после переселения потребуются защищенные помещения, людям для выживания в недружественной среде Марса нужно будет уладить два оставшихся вопроса: где жить и что надеть?

Металлические корабли и надувные здания — это лишь временное укрытие от суровых условий планеты. Нужно будет защищаться от двух видов излучения — солнечного ветра и космических лучей. Солнечная радиация нам хорошо знакома: мы обгораем из-за нее на пляже; но кроме того, даже сквозь атмосферу Земли до нас долетают от Солнца заряженные частицы — солнечный ветер. Космические лучи доходят до нас из неведомых пока таинственных источников за пределами нашей Солнечной системы. Это также поток заряженных частиц, но обладающих значительно большей энергией и оттого гораздо более опасных. На Земле нас защищает плотная атмосфера, а наша кожа — не помеха для космических лучей: они легко проникают даже сквозь толстый слой металла и могут вызывать сбои в работе электроники. Космические лучи изливаются на нас постоянным потоком, и люди, живущие на большой высоте в Скалистых горах, или пилоты дальних трансокеанских рейсов довольно сильно подвержены их воздействию. Мы точно знаем, что чем больше это воздействие, тем выше вероятность смерти от рака, пусть и на небольшой процент. В долговременной перспективе почти любое облучение вредно для здоровья человека.

< . . . >

Одежда также должна сыграть определенную роль в защите колонистов от радиации и холода. Кроме того, существует специфическая для Марса проблема, которую можно решить только с помощью одежды: недостаток атмосферного давления. На Земле мы живем под толстым слоем атмосферы. Вытяните руку и представьте, что на каждый квадратный дюйм вашей кожи сейчас давит воздушный столб, уходящий на много миль вверх. На уровне моря давление воздуха равно 14,7 фунта на квадратный дюйм. Наши тела адаптированы к постоянному давлению и противодействуют ему. На Марсе, где атмосферное давление составляет менее одной сотой от земного, человеку не протянуть долго без скафандра, который будет уравновешивать внутреннее давление тела. В отличие от воды, кислорода, пищи и даже жилья, единственным решением проблемы давления является постоянное ношение скафандра — если только мы не предпочтем жить в камере с искусственно поддерживаемым давлением.

Профессор астронавтики Массачусетского технологического института Дава Ньюман сейчас разрабатывает концепцию гибкого, легкого негерметизированного скафандра, предназначенного для передвижений по планете. Профессор Ньюман утверждает, что «с точки зрения физиологии необходимо обеспечить телу всего лишь около трети атмосферного давления Земли», что составляет меньше пяти фунтов на квадратный дюйм. Ее скафандры больше похожи на повседневную одежду, чем на громоздкую защитную капсулу. При изготовлении этой «второй кожи» — скафандра «Биосьют» — она использует полимеры и сплавы с эффектом запоминания формы, позволяющие создать защитный костюм, который будет более гибким и менее громоздким, чем современные скафандры, представляющие из себя просто капсулы с искусственно поддерживаемым внутри атмосферным давлением.

< . . . >

Все эти сложности можно свести к одному главному вопросу, который встанет перед человеком на Марсе: как же все-таки выжить в столь враждебной среде? Ответ заключается в стратегиях повышения температуры на планете, а это позволит увеличить плотность атмосферы. Коротко говоря, нам придется переделать всю планету, чтобы она стала более похожей на Землю. Этот процесс называется терраформированием, и для его завершения, вероятно, потребуются столетия.
Но это возможно, и мы это сделаем.


Комментарии (3)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия