28.03.2023, Florian Neukart, доцент Лейденского института передовых компьютерных наук (LIACS) Лейденского университета и член правления швейцарской компании-разработчика квантовых технологий Terra Quantum AG. Статья рассматривается для публикации в журнале Elsevier.
Аннотация
Создание человеческой колонии на Марсе – одно из самых амбициозных начинаний нашего времени. В этой статье дается всесторонняя оценка проблем и решений, связанных с колонизацией Марса, с акцентом на устойчивость, эффективность и благополучие колонистов. Мы начинаем с анализа марсианской среды, уделяя особое внимание таким проблемам, как радиация, пыльные бури, колебания температуры и низкое атмосферное давление. Затем дискуссия переходит к технологическим решениям, исследуя инновации в инфраструктуре, производстве энергии, транспорте и системах жизнеобеспечения. Особое внимание уделяется использованию ресурсов на месте и последним достижениям, таким как марсианский бетон, аэропоника и биореакторы из водорослей. Рассматривается человеческий аспект – от психологических последствий длительной изоляции до физиологических изменений в условиях пониженной гравитации. Экономические соображения включают анализ затрат и выгод от использования ресурсов на месте (ISRU) в сравнении с доставляемыми с Земли и потенциальные стимулы для инвестиций частного сектора. Кульминацией документа являются рекомендации для будущих исследований, в которых выделяются области, имеющие ключевое значение для уточнения плана колонизации Марса. Эта работа служит основополагающим руководством для исследователей, политиков и провидцев, стремящихся воплотить межпланетное будущее человечества в реальность.
1.1. Потребность в колонизации
Обоснование колонизации Марса многогранно [Зубрин и Вагнер (1996)]:
• Планетарный резерв: Земля, хотя в настоящее время является нашим единственным домом, подвержена глобальным катастрофам [Баум и Хакк-Мисра (2008)]. Они могут варьироваться от стихийных бедствий, таких как столкновения с астероидами или извержения супервулканов, до антропогенных угроз, таких как ядерная война или стремительное изменение климата [Бостром (2002)].
• Научное исследование: Марс предлагает сокровищницу научных данных [Carr (2006)]. Разгадка его геологической и климатической истории может дать представление об эволюции планеты, распространенности жизни и условиях, необходимых для ее существования [Grotzinger and Sumner (2014)].
• Технологический прогресс: Проблемы колонизации Марса стимулируют технологические и инженерные достижения, которые могут найти применение на Земле [Зубрин (2011)], потенциально приводя к прорывам в области накопления энергии, систем жизнеобеспечения и робототехники [Шервуд и Хоу (2009)].
• Вдохновение: Помимо практических соображений, путешествие в неизведанное всегда будоражило человеческое воображение и служило свидетельством нашего неукротимого духа [Маккей и Стокер (2004)].
1.2. Текущие проблемы
Несмотря на то, что очарование Марса неотразимо, проблемы являются устрашающими [Зубрин (2011)]:
• Огромное расстояние от Земли означает, что миссии по пополнению запасов будут нечастыми, а задержка связи будет значительной [Лей и Гатланд (2016)].
• Разреженная атмосфера Марса и отсутствие магнитосферы подвергают поселенцев повышенному уровню радиации [Хасслер и др. (2014) Хасслер, Цейтлин и Виммер-Швайнгрубер].
• Низкие температуры и пониженное атмосферное давление требуют специализированных мест обитаний и систем жизнеобеспечения [Шервуд и Хоу (2009)]. • Гравитация на Марсе, составляющая около 38% от земной, может оказывать долгосрочное физиологическое воздействие на поселенцев [Клеман и Букли (2015)].
1.3. Важность устойчивых и экономически эффективных методов
Учитывая длительную продолжительность миссий, огромные расстояния и ограниченность ресурсов, традиционные «земные» подходы к исследованию космоса неосуществимы для колонизации Марса [Мозес и Уилтбергер (2012)]. Устойчивость имеет первостепенное значение:
• Экономическая целесообразность: Многократная доставка материалов и ресурсов с Земли на Марс обходится непомерно дорого [Кляйнхенц и Льюис (2018)]. Использование ресурсов на месте (ISRU) устраняет эту проблему, делая миссии экономически жизнеспособными [Zacny and Paulsen (2015)].
• Снижение зависимости: Из-за задержки связи и долгого времени в пути между планетами марсианские поселения должны стремиться к самообеспечению энергией, продовольствием и другими необходимыми ресурсами [Клеман и Букли (2015)].
• Воздействие на окружающую среду: Точно так же, как мы решаем экологические проблемы на Земле, мы должны гарантировать, что наши марсианские усилия будут осуществляться ответственно, чтобы предотвратить необратимые изменения марсианской окружающей среды [Кокелл и Ли (2016)]. В этой публикации описываются нюансы создания устойчивой и эффективной человеческой колонии на Марсе, изучения самых современных технологий и инженерных решений, а также решения возникающих междисциплинарных проблем [Зубрин (2011), Маккей и Стокер (2004)].
2. Предыстория
Марс, который часто называют «Красной планетой», на протяжении веков был объектом человеческого любопытства и научных исследований. С развитием космических технологий во второй половине 20-го века и в начале 21-го века наше понимание Марса перешло от телескопических наблюдений к детальным исследованиям на месте роботизированными эмиссарами [Уолл и Импи (2011), Карр (2006)].
2.1. Ранние наблюдения и предположения
Марс был известен с древних времен благодаря своему видимому красноватому оттенку на ночном небе. Отличительный цвет планеты обусловлен наличием оксида железа (ржавчины) на ее поверхности [Белл (2004)].
Наблюдения в конце 19 века такими астрономами, как Джованни Скиапарелли и позже Персиваль Лоуэлл, привели к популярному, хотя и неверному, представлению о «каналах» на Марсе, возможно созданных разумными формами жизни. Обширные публикации и лекции Лоуэлла, посвященные его наблюдениям и теориям о марсианских каналах, вызвали общественный интерес и подготовили почву для последующих научных исследований [Шихан (1996), Дик (1988)].
2.2. Роботизированное исследование
2.2.1. Ранние исследования и облеты
Космическая эра положила начало эре роботизированного исследования Марса. Первые попытки Советского Союза в рамках марсианской программы в начале 1960-х годов столкнулись с трудностями: несколько миссий потерпели неудачу либо во время запуска, либо в пути, либо по прибытии [Harvey (1996)].
Американская программа Mariner была первой, которая успешно отправила обратно данные с Марса [и др. (1992)]. «Маринер-4» в 1965 году совершил первый успешный облет, открыв бесплодный ландшафт, вопреки предыдущим предположениям о более влажном Марсе.
2.2.2. Посадки и поиски жизни
В 1970-х годах NASA запустило амбициозную программу «Викинг», целью которой была посадка на поверхность Марса и непосредственное ее изучение. Спускаемые аппараты «Викинг-1» и «Викинг-2» провели эксперименты по обнаружению микробной жизни. Хотя результаты экспериментов первоначально указывали на возможную метаболическую активность, последующий анализ показал, что реакции, скорее всего, были вызваны неорганическими процессами. Таким образом, поиски жизни не принесли результата [Кляйн (2015) и др. (2010)].
2.2.3. Марсоходы: Мобильные геологические лаборатории
В конце 1990-х и в начале 2000-х годов марсоходы заняли центральное место в исследовании Марса. Первым был Pathfinder (Странник), за ним последовали роверы-близнецы Spirit и Opportunity. Эти миссии произвели революцию в нашем понимании марсианской геологии и истории климата [2011]. Примечательно, что Opportunity обнаружил свидетельства древних потоков жидкой воды на поверхности Марса [2004].
Марсоход Curiosity размером с автомобиль, входящий в состав миссии NASA «Марсианская научная лаборатория», совершил посадку в 2012 году. Оснащенный набором сложных приборов, Curiosity идентифицировал древнее дно озера и обнаружил органические молекулы, что еще больше активизировало поиск потенциальной прошлой жизни [Grotzinger and Sumner (2014), et al. (2018d)].
2.2.4. Орбитальные аппараты: Глаза в марсианском небе
В дополнение к наземным миссиям серия орбитальных аппаратов предоставила важнейшие данные об атмосфере, климате и геологии Марса. Известные миссии включают Марсианский разведывательный орбитальный аппарат NASA (Mars Reconnaissance Orbiter – MRO) и Марсианский экспресс (Mars Express) ЕКА (2004]. Камера HiRISE MRO получила изображения с высоким разрешением, что помогло в выборе места посадки и изучении геологических особенностей, в то время как прибор SHARAD исследовал подповерхностные слои.
2.2. Недавние усилия и международное сотрудничество
В 2020-е годы наблюдалась глобальная конвергенция в направлении исследования Марса. Марсоход NASA Perseverance и его инновационный вертолет Ingenuity, орбитальный аппарат ОАЭ Hope и китайская миссия Tianwen-1, которая включала в себя как орбитальный аппарат, так и марсоход, достигли Марса в 2021 году [Витце (2021), Амос (2021)]. Совместные международные усилия, как между правительственными, так и и частными структурами, рассматриваются как путь вперед.
2.3. Прелюдия к исследованию Марса человеком Благодаря обилию данных, полученных в результате роботизированных миссий, планы по исследованию человеком и возможной колонизации набирают обороты. И NASA, и ЕКА наметили потенциальные пилотируемые полеты на Марс в своих дорожных картах, рассматривая Луну как испытательный полигон. Частные компании, в частности SpaceX, планируют крупномасштабные усилия по колонизации [Foust (2019), Wall (2020)]. Несмотря на привлекательность колонизации Марса, для воплощения этой идеи в реальность необходимо тщательное обобщение опыта роботизированных полетов, тщательные исследования систем жизнеобеспечения и обитания, а также международное сотрудничество (2015).
7. Рекомендации для будущих исследований
Хотя данная публикация представляет собой всеобъемлющую основу для колонизации Марса, многие области требуют дальнейших исследований для уточнения и оптимизации предлагаемых решений. Вот несколько ключевых моментов для будущего исследования:
• Количественная оценка ресурсов: Более подробное картирование марсианских ресурсов, таких как подповерхностные залежи водяного льда и концентрации металлов, будет иметь важное значение для определения стратегий использования ресурсов на месте.
• Технологическая доработка: такие технологии, как аэропоника, биореакторы для водорослей и развертывание магнитного экрана, могут извлечь выгоду из итеративного прототипирования и тестирования в марсианских аналоговых условиях на Земле.
• Экономические модели: Расширенное экономическое моделирование, включающее неопределенные переменные, такие как будущие технологические достижения, потенциальные изменения в политике и меняющаяся динамика рынка, необходимо для долгосрочного планирования миссии.
• Здоровье человека: Продолжение исследований физиологического воздействия пониженной гравитации на здоровье человека, особенно в длительных полетах, имеет решающее значение. Разработка эффективных мер противодействия радиации и потенциальным психологическим проблемам также должна быть приоритетной задачей.
• Долговечность инфраструктуры: Долгосрочная устойчивость марсианских мест обитания, особенно к марсианским пыльным бурям, перепадам температур и радиации, требует дальнейшего изучения. Отзывы, полученные в результате таких исследований, могут послужить основой для улучшения дизайна.
• Системы связи: Хотя использование точки Лагранжа Mars L2 в качестве ретранслятора связи является многообещающим, эффективность, избыточность и долговечность такой системы требуют тщательного тестирования и проверки.
Решение этих задач позволит повысить точность, эффективность и безопасность будущих проектов колонизации Марса, обеспечив уверенность и обоснованность следующего шага человечества в космос.
Колонизация Марса открывает новые горизонты не только для научных исследований, но и для экономических возможностей. Дальновидные компании могут использовать эти потенциальные стимулы, чтобы проложить путь к следующему гигантскому скачку человечества, обеспечивая при этом прибыльную отдачу от своих инвестиций.
8. Заключение
По мере того как контуры освоения космоса в 21 веке становятся более четкими, Марс предстает не как отдаленная, желанная цель, а как осязаемый рубеж для колонизации человеком. Задача обеспечения устойчивого присутствия на Красной планете характеризуется сложностями, которые выходят за рамки простых инженерных достижений и охватывают важнейшие экологические, технологические, физиологические и экономические аспекты. В нашей статье подчеркивается несколько ключевых императивов.
Во-первых, стратегическое использование марсианских ресурсов на месте имеет решающее значение для устойчивости миссии и экономической целесообразности длительных усилий по колонизации.
Во-вторых, человеческий компонент – астронавты – требует пристального внимания, поскольку их физиологическое и психологическое здоровье является центральной опорой успеха миссии.
В-третьих, хотя технология предоставляет жизненно важные инструменты в этом начинании, ее применение должно быть продуманным и адаптированным к уникальным вызовам и возможностям Марса. Экономическая архитектура колонизации Марса должна основываться на прагматизме, гарантирующем, что инвестиции принесут ощутимую отдачу, как с точки зрения научных достижений, так и потенциальных будущих экономических выгод.
В конечном счете, колонизация Марса – это свидетельство постоянного стремления человечества к исследованиям и познанию. Начиная новую главу нашего космического путешествия, наши стратегии должны основываться на синтезе осторожности, инноваций и непоколебимой приверженности научным принципам.
Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал (научная статья): Towards Sustainable Horizons: A Comprehensive Blueprint for Mars Colonization