Жизнь на Марсе: как последние открытия приближают нас к скорому переезду

Четвертая планета Солнечной системы в два раза меньше Земли по радиусу, зато по площади равна всем земным континентам, вместе взятым (благо там нет океанов), плюс в 2008 году исследовательский зонд NASA обнаружил там воду (в виде льда). Неудивительно, что возникает соблазн заселить планету, и буквально в июле 2019 года ракетные двигатели для полета туда впервые смогли поднять в воздух Starhopper, прототип, который через несколько лет превратится в Starship — ракету и корабль, созданные специально для полетов к Марсу. Благодаря полной многоразовости Starship (более ста использований) стоимость полетов до Марса должна будет резко упасть.

При этом среднегодовая температура на Марсе -63 градуса Цельсия, примерно как на антарктической станции «Восток». Так холодно там потому, что его атмосфера в 150 раз разреженнее земной. При такой тонкой газовой оболочке парниковый эффект очень слабый, отчего и холода. Проблему можно решить, если приблизить климатические условия на Марсе к земному климату — этот процесс называют терраформированием. В случае с Марсом для этого нужно каким-то образом резко нагреть поверхность планеты, которая даже в лучшие годы находится в 56 миллионах километров отсюда.

Ученые довольно упорно бьются над этой проблемой, и вот недавно, летом 2019 года, был представлен необычный способ сделать Красную планету обитаемой — для начала, хотя бы частично. Оказалось, что прозрачный купол из экзотического гелевого материала толщиной всего пару сантиметров так сильно согревает земную имитацию марсианского грунта при скудном местном освещении, что тот способен поддерживать растительную жизнь без дополнительного подогрева. И это настоящая сенсация. Рассказываем, что вообще можно сделать для того, чтобы через энное количество лет люди гуляли по марсианским полям и любовались сразу двумя лунами.

Обратимся сразу к самому свежему открытию. В июле 2019 года группа ученых провела простые лабораторные эксперименты, в ходе которых поместили аналог марсианского грунта в камеру с разреженной атмосферой и марсианской температурой. Затем на купола светили лампами, дающими 150 ватт энергии на квадратный метр — ровно столько, сколько Солнце в среднем дает поверхности Марса.

Выяснилось удивительное: без малейшего внешнего подогрева поверхность марсианского грунта, накрытая сверху гелевым куполом, прогрелась чуть выше нуля градусов. Купол толщиной всего два сантиметра хорошо пропускает видимый свет, нагревая им почву, но очень плохо пропускает ультрафиолет, инфракрасное излучение и тепло. Сырья для его производства (обычный песок) на Марсе, как и на Земле, более чем достаточно.

Подогрев грунта на 65 градусов простым прозрачным куполом выглядит чудом, ведь снизу у грунта особой теплоизоляции нет и часть тепла все же уходит в стороны. То есть это как накрыть промерзшую землю хитро устроенной клеенкой — а дальше все происходит само. Но никакого особого чуда здесь нет. Аэрогели были открыты в 1931 году, и, по сути, это обычный спиртовой гель, из которого нагревом испарили весь спирт, оставив сеть наполненных воздухом каналов. Его теплоизоляционные свойства при одинаковой толщине до 7,5 раза выше, чем у пенопласта или минваты, при этом он практически прозрачен. Условное жилище из него и на Земле, будучи полностью прозрачным, не требовало бы отопления, кроме как во время долгой полярной ночи.

Интересно, что на самом деле этот материал на Марсе уже испытан: американские марсоходы используют аэрогель, чтобы их внутренние приборы не переохладились за время марсианской ночи, когда температура может упасть до -90 градусов.

Исследователи, предложившие такие купола как способ однажды переехать на Марс, отмечают: аэрогелевые купола легко переносить на большие расстояния. Более того, опыты в земных лабораториях уже показали, что на аналоге марсианского грунта вполне растут даже томаты, была бы нормальная температура. Воды для них тоже много тратить не придется: из-под купола испаряться ей некуда, то есть даже небольшое ее количество будет постоянно потребляться растениями «по кругу». Кстати, чтобы подтвердить эти предложения, авторы планируют перенести опыты в Антарктиду — сухие долины Мак-Мердо, по климату и безводности предельно близкие к Марсу.

Наиболее радикальный путь решения проблемы, как это часто бывает, предложил Илон Маск: разбомбить полюса Марса термоядерными бомбами. Взрывы должны испарить углекислый газ, который составляет большую часть льда полярных шапок этой планеты. СО2 создаст парниковый эффект, то есть от ядерных бомбардировок на четвертой планете потеплеет всерьез и надолго.

Правда, в 2018 году исследование, проспонсированное NASA, выдвинулосовсем другую точку зрения: полюса бомбить бесполезно. И вообще, всего углекислого газа Марса не хватит, чтобы создать атмосферу достаточно плотную для серьезного потепления. По расчетам «насовской» научной группы, растопив полярные шапки из углекислого газа, давление там можно поднять лишь в 2,5 раза. Теплее станет, но это все еще антарктические температуры — и атмосфера в 60 раз разреженнее нашей. Авторы работы прямо упомянули человека, чью точку зрения они критикуют: Илон Маск. Но его это, кажется, нимало не смутило.

Марс обладает очень необычными деталями рельефа, которых на Земле нет. Одна из них — система каньонов Долины Маринер длиной 4 тысячи километров, длиннейшая из известных в Солнечной системе. Ее ширина — до 200 километров, а глубина до 7 километров. Это означает, что на дне каньонов атмосферное давление выше в полтора раза и там заметно теплее и влажнее, чем на остальной планете. Именно над частью Долин Маринер космические аппараты фотографируют настоящие туманы из водяного пара (на фото ниже), а на склонах других участков — темные следы потоков на песке, и потоки эти подозрительно похожи на водные.

Долины Маринер не везде широки — где-то их ширина составляет всего несколько километров. Такие места уже давно предлагают перекрыть куполом из стекла, считая, что и этого будет достаточно для удержания тепла и формирования локальной высокой температуры. Купол из аэрогеля над таким районом, располагающим водой, может привести к формированию локального сравнительно теплого климата со своими осадками и водой. Такие места могут застраиваться постепенно, и чем больше будет площадь, накрытая стыкующимися куполами, тем выше будет средняя температура (меньше теплопотери через стенки). Так что на самом деле такое постепенное, «ползучее» терраформирование может занять очень большую территорию планеты.

Есть и более простой путь к глобальному нагреву Марса до земных температур. Как отмечает другая группа ученых, мы уже испробовали этот метод на Земле, сами того не желая — выбрасывая по 37 миллиардов тонн углекислого газа в ее атмосферу и постепенно повышая температуру на планете. Путь этот — парниковые газы.

Конечно, на Марсе нет угля, сжигая который можно устроить парниковый эффект. Да и СО2 — не самый эффективный парниковый газ. Есть куда лучшие кандидаты, из которых самый перспективный — элегаз. Его молекула состоит из одного атома серы, вокруг которого «торчат» шесть атомов фтора. За счет «громоздкости» молекула отлично перехватывает и ультрафиолетовое, и инфракрасное излучения, при этом хорошо пропуская видимый свет. По силе вызываемого им парникового эффекта он в 34 900 раз превосходит углекислый газ. То есть всего миллион тонн этого вещества дал бы такой же парниковый эффект, что и десятки миллиардов тонн СО2, выбрасываемых человечеством сегодня.

Вдобавок элегаз очень живуч — время его жизни в атмосфере от 800 до 3200 лет в зависимости от внешних условий. Это значит, что можно не беспокоиться о его распаде в марсианской атмосфере: единожды произведенный, он останется там очень надолго. Кроме того, газ безвреден для человека и всех живых организмов. По факту, на Марсе он скорее полезен, поскольку перехватывает УФ-лучи не хуже озона, которого там пока нет.

По расчетам, примерно за 100 лет закачка суперпарниковых газов такого типа может поднять температуры на планете на десятки градусов.

Интересно, что несколько раньше при поддержке NASA была выполнена другая научная работа, которая описывала именно такой сценарий — терраформирование Марса за счет рукотворных парниковых газов повышенной эффективности. Одним из авторов этой работы была Марина Маринова, долгое время работавшая для NASA, а сегодня устроившаяся в компанию SpaceX. Более того, именно на нее как соавтора ссылался и сам Илон Маск, подвергнув критике работу, говорящую о нехватке СО2 на Марсе, якобы мешающей превратить его в планету, по температурам близкую к Земле.

Важная особенность такого сверхмощного парникового эффекта: после разогрева марсианского грунта связанный в нем СО2 должен высвободиться в атмосферу, дополнительно усилив нагрев планеты.

Хотя элегаз действительно может преобразовать всю планету, надо четко понимать, что это не случится завтра. По расчетам, для этого нужно тратить миллиарды киловатт-часов в год — и тратить их на Марсе, делая из богатого фтором и серой грунта тот же элегаз. То есть желающим терраформировать придется построить на планете целую АЭС на 500 мегаватт, автоматизированные производства, постоянно выпускающие элегаз в атмосферу. Процесс этот даст ощутимые результаты через сотню лет работы. Ну или несколько быстрее при очень больших вложениях в создание заводов.

Все это время людям, обеспечивающим их деятельность и изучающим Марс, надо будет где-то жить. Очевидно, что лучшим решением для локального преобразования планеты в местах их расселения будут аэрогелевые купола. То есть по необходимости терраформирование будет идти сразу двумя путями: локальным — для текущих колонистов с помощью куполов — и глобальным — для планеты в целом.

Яблони на Красной планете в ближайшем будущем не зацветут, но растительность в открытом грунте на самом деле может прийти туда раньше, чем мы думаем.

Еще в 2012 году Немецкое аэрокосмическое агентство провело эксперимент с арктическим лишайником ксантория элегантная (Хanthoria elegans). Его держали при давлении в 150 раз ниже земного — без кислорода, при марсианских температурах. Несмотря на чуждость среды лишайник не только выжил, но и не потерял способность успешно фотосинтезировать (в периоды, имитирующие светлое время суток).

Это значит, что в ряде регионов Марса — тех же Долинах Маринер — такие организмы в экваториальной зоне могут жить уже сегодня. А после начала выработки на Марсе элегаза подходящая для них территория начнет быстро расширяться. Как и другие лишайники, ксантория элегантная при фотосинтезе вырабатывает кислород. Собственно, именно выход лишайников на земную сушу около 1,2 миллиарда лет назад (за 0,7 миллиарда лет до высших растений) и позволил земной атмосфере резко поднять содержание кислорода до уровня сегодняшнего земного высокогорья. Скорее всего, на Марсе лишайникам предстоит та же функция — подготовить атмосферу к тому, чтобы в ней было проще жить более сложным существам. Возможно, людям.