Далекие перспективы и новые вопросы

Борис Штерн
«Троицкий вариант — Наука» № 7(326), 6 апреля 2021 года

Что ждет человека на Марсе?

Кратер Королёва. Фото ESA

Два года назад в «ТрВ-Наука» была опубликована дискуссия под шапкой «Что мы потеряли на Марсе?». Мы задали вопрос: «Вы хотите дожить до „человека на Марсе“ при условии, что вам придется заплатить за это в виде дополнительных налогов 1000 долларов?» Марс победил со счетом 113:57. Люди привели массу аргументов за и против. Вот главные аргументы против: «надо сначала порядок на Земле навести», «автоматы соберут больше информации за меньшие деньги», «человеческому телу не место в космосе».

С тех пор интерес к Марсу, пожалуй, возрос — отчасти благодаря Маску. За истекшие два года Марс стал казаться чуть ближе, хотя всё еще довольно далек. Некоторым задача дожить до присутствия людей на Красной планете представляется весьма нетривиальной.

Сейчас перспективы основных игроков по поводу Марса выглядят следующим образом:

Россия. Самостоятельно осилить марсианские амбиции, оставшиеся со времен СССР, Роскосмос не в состоянии. Однако у российской космонавтики на сегодняшний день есть задел по космической медицине, который мог бы стать вкладом в международную программу полетов на Марс.

США технически и экономически намного ближе всех к марсианским полетам. Однако отсутствие долговременной стратегии не позволило начать непосредственную программу подготовки такой экспедиции, и NASA на ближайшее десятилетие вновь сосредоточилось на Луне. Полет на Марс откладывается на 2040-е годы.

Китай планомерно развивает свою космонавтику и достигает рубежей в космосе, ранее покоренных СССР и США, но на ближайшее десятилетие его целями в пилотируемой космонавтике будут многомодульная низкоорбитальная станция и полеты на Луну. Определенно, с такими темпами к концу 2030-х годов можно ожидать первой китайской пилотируемой экспедиции на Марс.

SpaceX Илона Маска выступает в ранге великой державы. Только Маск заявляет о своих планах до конца десятилетия отправить людей на Марс. Считать несерьезными эти амбиции нельзя: SpaceX — единственная компания в Америке, которая прямо сейчас доставляет людей в космос и эксплуатирует самую мощную на Земле из летающих в настоящий момент ракету-носитель Falcon Heavy. Но разработка новой «марсианской» сверхтяжелой ракеты-носителя Starship потребует времени, а сами экспедиции — значительного финансирования, поэтому нельзя предсказать, успеет ли Маск опередить Китай.

Сегодня открываем дискуссию не только о том, зачем нам Марс, хотя с этого и начнем. Вряд ли кого-то удовлетворит короткая экспедиция с втыканием флага. Поэтому сильно забегаем вперед, расширяя предмет дискуссии:

• Нужна ли пилотируемая экспедиция на Марс?
• Реальна ли постоянно действующая база на Марсе, снабжаемая с Земли? Во что обойдется такая база и ее снабжение?
• Реальна ли почти автономная колония, снабжаемая с Земли лишь уникальными вещами, которые невозможно воспроизвести на месте?
• Реально ли терраформирование Марса и до какой степени? Оправданна ли такая цель?

Это всего лишь первые «затравочные» вопросы — в одну итерацию подобную дискуссию не проведешь. В этом выпуске газеты мы публикуем первые общие ответы и формулируем новые, более конкретные вопросы. В следующем номере надеемся перевести дискуссию в научное русло, насколько это позволяет современное состояние исследований.

Александр Хохлов, Борис Штерн

С экономической точки зрения (если иметь в виду экономику потребления) освоение Марса абсолютно бесполезно и проигрышно. Да, появятся новые технологии, но вряд ли они окупят затраты. Только при чем здесь экономика? Марс гораздо важнее любой экономики — это цель, способствующая развитию человеческого рода. Или, если хотите, цель, препятствующая деградации человечества в условиях экономического благоденствия, когда выключены все каналы положительного отбора. Этой же цели служит фундаментальная наука (я всё грубее отвечаю журналистам на вопрос «А какая от этого открытия практическая польза?»), но Марс демократичней, понятней. Он пробуждает чувства. А там, где пробуждается интерес широких масс, найдется и финансовый интерес.

По-моему, вопрос об освоении Марса сильно коррелирует с вопросом выживания человеческого рода в дальней перспективе. Не потому, что цивилизация без Марса обречена. Просто экспансия человека за пределы Земли и его развитие на Земле зависят от одних и тех же качеств, и Марс эти качества стимулирует.

Начнем с самой дальней перспективы.

Подлежит ли Марс терраформированию?

Когда-то на Марсе была достаточно плотная атмосфера, которую он со временем потерял. Осталось примерно полтора процента земной по толще (около 15 г/см²), а давление составляет всего 0,6% земного — 6 миллибар (мбар); в нижней точке марсианского рельефа — 11 мбар. Можно ли восстановить атмосферу до такой степени, чтобы по Марсу можно было ходить без скафандра?

Довольно проблематично. Дело не в отсутствии магнитного поля и диссипации атмосферы — до этих проблем дело, скорее всего, не дойдет. Просто на Марсе нет достаточного количества летучих веществ, чтобы наполнить атмосферу. Точнее, нет достаточного количества легко извлекаемых летучих веществ.

С одной стороны, на Марсе достаточно воды. Воду/лед на Марсе видят в полярных шапках, в грунте по замедлению нейтронов (например, российско-американский эксперимент HAND), напрямую в виде льда под фрезой марсохода «Феникс» и косвенно — по рельефу. По разным оценкам, воды на Марсе от 5 до 50 млн км³ — хватит, чтобы наполнить моря, а возможно, и океаны. Этой водой можно пользоваться, но из водяного пара не сделаешь атмосферу — он может быть лишь добавкой к более надежному газу, который не конденсируется и не выпадает в виде осадков. Хуже того, водяной пар сам по себе в нынешней атмосфере Марса не сможет обеспечить парниковый эффект. Это показано в работе [1].

Как насчет СО₂, который заодно и парниковый газ? Именно с ним связана основная надежда на восстановление марсианской атмосферы. Он точно есть в полярных шапках. Вопрос — сколько его там?

Углекислый иней составляет основную часть сезонных полярных шапок Марса. Но это очень тонкий слой: суммарного количества углекислого газа в сезонных шапках хватит, чтобы увеличить давление лишь на треть. Надежды возлагаются на захороненный углекислый лед. В работе [2] с помощью радиозондирования с борта орбитальной станции Mars Reconnaissance Orbiter в глубине Южной полярной шапки нашли включения, похожие на залежи твердого СО₂. Найденного количества хватит, чтобы удвоить атмосферу Марса.

Результат радиолокационного поиска залежей твердой углекислоты в Южной полярной шапке Марса. Измерения проводились с борта станции Mars Reconnaissance Orbiter. Поскольку орбита не проходила прямо над полюсом, результат опирается на экстраполяцию данных. Красный цвет — толщина залежей около 600 м, желтый — до 400 м, синий — до 100 м. Полный объем обнаруженных залежей — порядка 10 000 км³

В работе [3] анализируются все возможные запасы углекислоты. Кроме залежей, обнаруженных радиолокацией, СО₂ может находиться в полярных шапках в другой форме в смеси с водяным льдом; верхняя оценка, согласно работе [3], — эквивалент атмосферного давления 150 мбар, но, скорее всего, существенно ниже. В той же работе оценивается запас СО₂ в карбонатах, обнаруженных на Марсе (для выделения углекислого газа карбонаты надо нагревать до 300°С). Оценка «полезных» запасов карбонатов приводится в статье с зазором в порядок величины: от 12 до 150 мбар в единицах эквивалентного атмосферного давления. Вопрос, насколько оценкам, приведенным в статье [3], можно доверять. Видимо, их можно использовать как нижнюю границу — речь идет фактически о «разведанных» запасах СО₂. По базе NASA ADS, на статью за три года с момента ее выхода есть всего семь ссылок, что не означает низкого качества статьи, но говорит о том, что вопрос исследуется довольно вяло.

Самый простой способ достать СО₂ — растопить полярные шапки, зачернив их. Видимо, полярных шапок хватит, чтобы как минимум утроить атмосферу (потеплеет, радиационный фон существенно снизится, жидкая вода появится, но ходить без скафандра будет нельзя), а дальше — большой вопрос. В наиболее оптимистичном варианте давление удастся повысить на порядок — станет значительно теплее; видимо, при атмосферном давлении смогут цвести если не яблони, то специально выведенные ГМО.

При каком давлении человек сможет передвигаться по поверхности Марса без скафандра? Существует так называемый предел Армстронга — давление 0,062 бар, при котором вода закипает, достигнув температуры человеческого тела. Кровь не закипает — там есть дополнительное давление, — но есть еще лимфа и жидкость в альвеолах легких. При более низком давлении человек сможет оставаться в живых не более минуты. Но и при более высоком давлении остается проблема: даже если человек дышит чистым кислородом, его не хватает — проблема с гипоксией при дыхании кислородом исчезает при давлении выше примерно 0,15 бар. Насколько комфортно будет человек себя чувствовать с кислородной маской при таком давлении — вопрос. Другой вопрос — как будет выглядеть процедура перехода человека из «домашнего» давления во внешнее при такой разнице.

Видимо, за срок порядка тысяч лет вполне реально сделать Марс более гостеприимным: с озерами и морями, с растениями, с возможностью ходить без скафандра. При этом надо понимать, что условия для жизни на Марсе останутся несравненно хуже, чем на Земле. Остановит ли это человека? По-моему, это чисто риторический вопрос: конечно нет, если те качества, которые заставили человека расселиться по всей Земле из теплой Африки, не будут утрачены. Всегда найдутся люди, которые будут любить и обустраивать свою суровую родину. И если так, на Марсе сформируется золотой фонд человечества — в тех условиях не до деградации.

Есть еще проблема диссипации атмосферы. Но это как раз одна из тех проблем, которые надо решать по мере поступления. В данном случае проблема встанет через многие миллионы лет и можно не спешить.

Марсианская база

Реалистичность постоянной марсианской базы со сменным персоналом не вызывает сомнений с технической точки зрения. С экономической точки зрения — тоже, ведь затраты вполне подъемны для крупных стран, в том числе и по отдельности для США, Китая и Евросоюза. С точки зрения космических лучей — тоже: достаточно зарыть жилые помещения трехметровым слоем грунта.

И всё же интересно было бы иметь ответы на следующие вопросы:

• Сколько будет стоить забросить одну тонну груза на Марс?
• Во что обойдется доставка человека с Земли на Марс и с Марса на Землю?
• Сколько весит годичное пропитание одного человека, в максимально сухом виде? (Вода есть на месте в неограниченном количестве.)
• Энергоснабжение. Сколько может весить небольшая атомная электростанция (типа судовой всего на несколько мегаватт) без биологической защиты и можно ли ее закинуть на Марс в полусобранном виде?

Попробуем получить хотя бы приблизительные ответы к следующему выпуску газеты.

Марсианская колония

А сейчас пару слов про колонию на Марсе — таком, какой он есть. Под колонией имеется в виду сообщество людей, которые в большинстве своем рождаются и умирают на Марсе и сами обеспечивают себя всем необходимым, за малыми исключениями. Понятно, что жить придется в «катакомбах» под небольшим слоем грунта. Не напоминает ли это пожизненное тюремное заключение? Если при этом сферу обитания можно постоянно расширять и обустраивать, если существует простор для созидания, многие наверняка предпочтут подобную «тюрьму» рутинной жизни на обустроенной Земле. Чтобы лучше представить себе проблемы с созданием подобной колонии, полезно иметь приблизительные ответы на следующие вопросы, мы зададим их специалистам:

• Какая площадь «сельхозугодий» требуется для прокорма одного человека?
• Под каким минимальным давлением можно выращивать урожай? (От этого будет зависеть технология «сельхозугодий»: чем меньше давление, тем меньше строительных проблем.)
• Что может стать основой «кормовой базы» марсианских колонистов?
• Как может отразиться на популяции сила тяготения 0,38g в течение жизни многих поколений?

Литература
1. Ramirez R. M. et al. Warming early Mars with CO₂ and H₂ // Nat. Geosci. 2014. 7. P. 59–63.
2. Phillips R. J. et al. Massive CO₂ ice deposits sequestered in the south polar layered deposits of Mars // Science. 2011. 332. P. 838–841.
3. Jakosky B. M., Edwards C. S. Inventory of CO₂ available for terraforming Mars // Nature Astronomy. 2018. Vol. 2. P. 634–639.