Кисень для Марса

Наскільки складно буде тераформувати Марс і чи можливо взагалі? Скільки енергії потребуватиме цей процес? У цій статті ви зможете дізнатися все це і навіть трохи більше!

2261
Марс після тераформування озеленюють шляхом формування азотно-кисневої атмосфери. Джерело: Kevin Gill

Наше суспільство приділяє багато уваги створенню альтернативного місця існування для людства, і, поряд із проєктами герметичних космічних станцій, Марс вважається одним з найкращих місць для людства. Але ми маємо враховувати не лише потреби людської раси й нашої цивілізації, але й важливу обставину: ми не одні на нашій планеті, тому запасний план потрібен і для життя, у широкому сенсі цього слова. Наразі єдиним відомим місцем, де існують і розвиваються форми життя, є Земля, лише одна невелика планета. Наше існування стає можливим і збагачується завдяки неймовірному розмаїттю тварин і рослин, які живуть на Землі, на суші і в морях. Ми б сильно втратили, якби все, що ми зберегли в космосі, – це найкритичніші види рослин, які ми вирощуємо на їжу. Тому нам потрібно більше думати про те, як зберегти життя всієї біосфери.

У статті 2015 року Дон Баркер зробив одну з найкращих заяв на підтримку колонізації Марса, де він згадав про “запасний варіант для життя на Землі”:

“Заселення Марса, ймовірно, буде найбільш доцільним зусиллям, яке створить запасний ресурс для життя на Землі, по суті, глобальний мітоз. Марс — це єдине місце, чиє середовище та доступні природні ресурси дають можливість ефективно побудувати постійне і стійке проживання людини за межами Землі.”

“The Mars Imperative”, Баркер, Дональд К., випуск 107, Acta Astronautica 3-2015

Насправді ж усе не так просто, адже потрібно створити дуже велику за площею біосферу, яка за фізичними параметрами еквівалентна земній поверхні, а не просто замкнене приміщення з атмосферою. Для того, щоб створити певний рівень відкритого простору, де зможе розвиватися багато видів (популяцій), знадобилися б десятки або сотні дуже великих, спеціалізованих станцій у космосі. Є сподівання, що такі місця можна побудувати, і вони можуть стати тимчасовим притулком, але дуже важливо створити повністю тераформовану планету, де тварини і рослини зможуть жити на значно більшому просторі поза обмеженими ареалами станцій. Для цього необхідно тераформувати Марс, єдину планету в нашій Сонячній системі, де це можливо зробити без науково-фантастичної фізики.

Деякі люди критикують самі дискусії про тераформування як “грандіозні” або як “зухвалі” і “промислової гігантоманії”, що трохи нагадує рух “мале – прекрасне”, який був популярним у 80-ті. Якщо ви намагаєтеся змінити атмосферу цілої планети, то масштаб неодмінно має бути “грандіозним”. Ці антитехнологічні настрої нагадують відчайдушні спроби радикалів зупинити програму розведення каліфорнійських кондорів у неволі. Здавалося, що радикали воліли б, щоб кондори вимерли, аніж дозволити людям, які намагаються врятувати цей вид, досягти успіху. Нагадаємо, що програма розведення цього виду сприяла величезному зростанню популяції кондорів із 22 особин у 1982 році до 540 у 2023 році, тобто майже у 25 разів всього за 41 рік.

Тут стикаються ті ж самі цінності, але у значно більшому масштабі: захист більшої частини розмаїття самого життя проти збереження статус-кво для скель і барханів на, ймовірно, мертвій і пустельній планеті. Навіть якби глибоко під поверхнею Марса існували б живі мікроорганізми, цінність мільйонів багатоклітинних видів, безсумнівно, переважила над ними.

Ми вже розглядали питання про те, як забезпечити необхідний для тераформування Марса тиск повітря (див. “Rethinking the Mars terraforming debate”, The Space Review від 20 серпня 2018 року). У цій статті описується, як величезні обсяги твердого азоту можна перемістити з Плутона або з інших регіонів і скинути в марсіанську атмосферу без утворення кратерів. Завдяки цьому на Марсі міг би випадати дощ і текти рідка вода. Дехто пропонує Венеру як наближене джерело азоту, але там він знаходиться на дні глибокого гравітаційного колодязя, і його потрібно буде відбирати з верхніх шарів атмосфери, відокремлювати від вуглекислого газу і зріджувати перед відправленням на Марс, тож внаслідок цих маніпуляцій дельта-V значно зменшиться. На Плутоні гравітаційний колодязь не такий потужний, і азот вже перебуває у твердій формі, а отже, його набагато легше видобувати й транспортувати у великих обсягах.

Дві складові, необхідні для повноцінного тераформування Марса, – це атмосферний тиск азоту і деякий тиск від кисню. Без кисню на Марсі можуть жити лише анаеробні бактерії. Тому на Марсі так само потрібен кисень.

Для будь-якого практичного тераформування існує дві основні вимоги: масштабний доступ до космосу і напрямків у ньому (маршрутів), а також певна форма термоядерної енергії для живлення і приведення кораблів у рух. Перше ми незабаром отримаємо, і перспективи щодо другого теж обнадійливі. Без ядерного синтезу й тераформування міжзоряні подорожі будуть залишатися недосяжним майбутнім. Термоядерний синтез в природі виникає всередині кожної зірки, і це не якесь фізичне чаклунство. Можна навіть припустити скільки енергії термоядерного синтезу потрібно для транспортування азоту на Марс і створення кисню на планеті.

Для цього нам потрібно наступне: 880 трильйонів тонн газоподібного кисню для підтримки рослинного й тваринного життя земного походження. Такий обсяг створить в середньому 211 грамів на квадратний сантиметр парціального тиску кисню для всієї планети. Це нормальна концентрація в кисню на рівні моря для нашої планети, адже решта 1,03 кг на квадратний сантиметр – це азот. Людина може жити на висоті близько 5200 метрів, де тиск кисню становить близько 40% від рівня моря, або близько 84 грами на квадратний сантиметр, причому ці люди дуже добре пристосовані до висоти. Деякі ж починають страждати від висотної хвороби на висоті 2700 метрів, де тиск кисню становить 70% від рівня моря, або 147 грамів на квадратний сантиметр.

Звідки ми знаємо, скільки кисню знадобилося б, щоб наситити киснем цілу планету? Площа Марса становить 144,8 мільйона квадратних кілометрів, і кожен квадратний кілометр складається з мільйона квадратних метрів. Тиск азоту завжди повинен бути в кілька разів вищим за тиск кисню, щоб запобігти виникненню повсюдної пожежі.

Існує щонайменше три способи вимірювання кількості кисню, необхідного нам на Марсі: тиск на квадратний дюйм, тиск на квадратний метр або маса на квадратний метр (тобто весь кисень в “атмосферному стовпі” безпосередньо над кожним квадратним метром, виміряний від поверхні до верхніх шарів атмосфери). Щоб створити тиск кисню в 211 грамів на квадратний сантиметр, на Марсі, з його меншою гравітацією, потрібно близько 2,1 (марсіанської) тонни тиску кисню на квадратний метр або 2,1 мільйона тонн на квадратний кілометр. Але оскільки гравітація Марса становить близько 0,376 G, то для досягнення необхідного тиску знадобиться в 2,66 рази більше кисню, або близько 5,59 земних тонн на кожен квадратний метр поверхні. За такої кількості речовини на Марсі тиск кисню на квадратний метр становив би 2,1 тонни на квадратний метр. Якби Марс мав таку ж гравітацію, як Земля, то знадобилося б лише 304 трильйони тонн кисню. Отже, якщо на кожен квадратний кілометр потрібно 5,59 мільйона тонн кисню, то Марсу потрібно 5,59 мільйона тонн помножити на 144,8 мільйона квадратних кілометрів, що дорівнює приблизно 810 трильйонам тонн кисню.

У природі оксиген, як і фтор, є дуже реакційноактивним елементом і “прагне” з’єднуватися з іншими хімічними елементами, створюючи сполуки на кшталт води. Тому в природі не існує родовищ оксигену, якщо ми звичайно не хочемо “обікрасти” біологічно створену атмосферу Землі, позбавивши її значної частки цього елемента. Отже, кисень потрібно отримувати хімічним шляхом зі сполук, де є оксиген (наприклад, води).

Насправді на Марсі є багато тисяч кубічних кілометрів водяного льоду, а в кожному з них міститься один мільярд тонн або один мільярд кубічних метрів водяного льоду. Якби ми мали на Марсі хоча б один мільйон кубічних кілометрів водяного льоду, тобто об’єм льодовикового реголіту або льодовика розміром 1000 на 1000 на 1 кілометр завглибшки, то в ньому містилося б 1000 трильйонів тонн або 1 квадрильйон тонн льоду. Якщо це чистий лід, то його площа становила б один мільйон квадратних кілометрів, а Марс має у 145 разів більше. 1000 трильйонів тонн льоду можна перетворити на 880 трильйонів тонн кисню і 120 трильйонів тонн водню – за допомогою процесу гідролізу, що на 10% більше ніж нам треба для цього проєкту.

Якщо виявиться, що водного льоду на Марсі менше, ніж потрібно, його можна привезти із численних крижаних астероїдів (тіл, що переважно складаються з льоду). Як тільки ми опануємо термоядерний синтез, ми зможемо виробляти енергію в надзвичайно великих кількостях, тому зможемо забезпечити Марс необхідною кількістю кисню. Разом з привезеним азотом ми зможемо повністю тераформувати Марс.

Електроліз води (методом лужного електролізу) має ефективний електричний ККД 70-80% і дає змогу отримати один кілограм водню і близько дев’яти кілограмів кисню з десяти кілограмів водяного льоду. Для цього потрібно 50 000-55 000 ват-годин (180-200 мегаджоулів) електроенергії. Використовуючи той самий метод, для електролізу однієї метричної тонни води потрібно п’ять мегават-годин.

Для електролізу однієї метричної тонни води за допомогою методу PEM (протонномембранний обмін), який використовується на Міжнародній космічній станції, потрібно 6 300 000 ват-годин (на основі інформації з довідника щодо перетворення енергії на основі водню). Тобто різниця становить майже 20% (зауважте, що тут наводиться вище значення PEM.) Оскільки співвідношення за масою гідрогену до оксигену в молекулі становить 2:16, то оксиген становить 16/18 = 8/9 від визначеної одиниці маси води. Отже, в 1 метричній тонні води міститься близько 888 кілограмів оксигену і близько 112 кілограмів гідрогену.

Щоб отримати кисень у кількості 211 грама на квадратний сантиметр, потрібно 1000 трильйонів тонн водяного льоду на Марсі, або 1 квадрильйон метричних тонн. Значить льоду потрібно приблизно 1000 на 1000 на 1 кілометр завглибшки. Передбачається, що ефективність гідролізного заводу становитиме близько 71%. Виробничі показники вказані на основі використання приблизно 6300 кіловат-годин або 6,3 мегават-годин для електролізу однієї метричної тонни води, як описано вище. Конденсація більшої частини отриманого газу в кріогенні рідини не потрібна, але можна припустити, що завод буде використовувати 7,0 мегават-годин на кожну тонну води (закладемо запас приблизно в 11%).

Нижче наведено таблицю в масштабі, яка показує використання енергії і водяного льоду для гідролізу різної кількості кисню й водню. У кожному рядку показники енергії і маси збільшуються в тисячу разів (на три порядки). Більшість людей навіть не знають назв таких величезних обсягів енергії.

Використання енергії (кількість) Маса водяного льоду Маса кисню Маса водню
7 ват-годин 1 грам 0,88 грама 0,12 грама
7 кіловат-годин 1 кг 0,88 кг 0,12 кг
7 мегават-годин 1 метрична тонна 0.88 тонни 0.12 тонни
7 гігават-годин 1 тисяча тонн 880 тонн 120 тонн
7 терават-годин 1 мільйон тонн 880 000 тонн 120 000 тонн
7 петават-годин 1 мільярд тонн 880 мільйон тонн 120 мільйон тонн
7 ексават-годин 1 трильйон тонн 880 мільярд тонн 120 мільярд тонн
7 зетават-годин 1 квадрильйон тонн 880 трильйон тонн* 120 трильйон тонн
* В останньому рядку курсивом показано кількість кисню, яку нам насправді потрібно отримати.

Додаткові 8-10% (80 трильйонів тонн) кисню, ймовірно, будуть поглинуті поверхневими породами і реголітом, адже мільярди років поверхня перебувала в умовах близьких до вакууму, що знизило тиск кисню і рівень молекулярного насичення поверхні гірських порід фактично до нуля.

Отже, протягом якого періоду часу доцільно витрачати сім зеттават-годин енергії? Щоб розбити цей процес на керовані стадії, ми могли б почати з 7000 заводів, кожен із яких витрачав б “лише” 1 ексават-годину протягом періоду експлуатації. Цей великий комплекс заводів можна було б назвати «Системою виробництва кисню Едгара Райса Берроуза» або ERB-OPS, оскільки він у своїх культових оповіданнях “Барсум”, написаних близько століття тому, описав подібний за призначенням гігантський “завод атмосфери”, що існує на Марсі. Цей проект передбачає, що із часом ми зможемо побудувати дуже великі термоядерні електростанції.

Отже, протягом якого періоду часу доцільно, щоб кожен завод витрачав свій 1 ексават-годину енергії? Значну частину необхідного тиску повітря на Марсі, щоб атмосфера стала придатного для дихання, можна буде отримати приблизно за 150-200 років, якщо одночасно організувати перевезення азоту із зовнішньої сонячної системи. Якщо ми визначимо період експлуатації кисневих заводів за проектом Берроуза в 200 років, то кожен завод має витрачати п’ять петават-годин на земний рік (одна ексават-година / 200 = п’ять петават-годин). Точно визначити часовий період не так вже й важливо, оскільки він буде залежати від майбутніх рішень щодо вартості й дуже великих масштабів тераформування.

Оскільки кожен земний рік складається з 8766 годин, енергія на кожній станції повинна витрачатися зі швидкістю 5 000 000 000 000 000 000 000 / 8766 = ~570 400 000 000 000 ват-годин або 570,4 гігават-годин на годину, або рівень потужності чи швидкість 570,4 гігавата.  Під час експлуатації комплексу Берроуза на повну потужність усі 7000 заводів, що працюють з потужністю 570,4 гігават на годину, споживали б лише близько 4000 терават або чотири петават (через великий розкид величин у розрахунках, потужність однієї електростанції має становити від 570,4 до 571,5 гігават).

Наразі все людство використовує близько 20 терават або 20 000 гігават, то потужність однієї станції Берроуза буде дорівнювати приблизно 1/35 всього поточного виробництва енергії людством (570/20 000 = 0,0285), тобто як загальна потужність системи Берроуза буде приблизно в 200 разів більшою ніж все поточне виробництво й споживання енергії нашим видом (4000/20 = 200). Можемо порівняти й у іншому аспекті: Земля постійно отримує 174 000 терават енергії на сторону планети, яка в цей момент повернута до Сонця. Близько 122 000 терават із них (122 петават на годину) досягає поверхні й нижніх шарів атмосфери. Таким чином, за кожні 24 години Земля отримує від Сонця 2 923 000 терават-годин. Таким чином, система Берроуза генерувала б і використовувала енергію, еквівалентну приблизно 3% сонячного світла, яке отримує вся освітлена сторона Землі.

У таблиці нижче наведено всі вимірювання в тераватах (1000 гігават) або терават-годинах. Наприклад, у Північній Америці використовується одиниця виміру електроенергії в кілька терават. Тому кожен завод вироблятиме електроенергію зі швидкістю приблизно в 1/10 частину або приблизно в 500 разів більше, ніж типова електростанція потужністю в один гігават. Звичайно, кожен завод може існувати у вигляді набору з десяти, 50-гігаватних установок, розташованих поруч одна з одною.

Система: Сонце на Землю Система Берроуза 1 завод Берроуза Людство у 2023 році
Рівень потужності 122 000 терават 4000 терават 0,570 терават ~20 терават
Кількість/день 2 923 000 терават 96 000 терават 13 680 терават 480 терават
Кількість/рік 1 069 000 000 терават 35 634 000 терават 5000 терават 175 320 терават
Кількість/200 років 213 890 000 000 терават 7 012 800 000 терават 1 000 000 терават 35 064 000 терават

Здавалося б, що це може призвести до перегріву всієї планети, але Марс отримує вдвічі менше сонячного світла, ніж Земля, тому навіть якби тепло розподілялося по всій планеті рівномірно, Марс не зміг би “спектися”. Щоб досягти температури Землі без впливу парникових газів, йому потрібно було б отримати близько 26 000 терават сонячного світла на повернену до Сонця поверхню, але пам’ятаємо, що площа цієї поверхні – у чверть менша за земну. Водночас, зараз Марс отримує лише близько 18 000 терават. Території, на яких видобуватимуть водяний лід і розміщуватимуть заводи, становитимуть приблизно 1/145 поверхні, тобто вони займуть площу в пропорції один мільйон квадратних кілометрів забудови на 144,8 мільйона квадратних кілометрів. Насправді, техніка для будівництва заводів буде споруджувати їх серійно, переїжджаючи з місця на місце, так що всі вони будуть введені в експлуатацію протягом декількох десятиліть.

Такі високі енергетичні затрати може покрити лише енергія термоядерного синтезу. Ми також припускаємо, що ці термоядерні електростанції можна буде масштабувати від таких, що розраховані на одне місто (від одного до п’яти гігават), до величезних, на яких можна буде збудувати реактори ефективного розміру, щоб потужність одного або декількох реакторів розподілялася між кількома гідролізними заводами, що стоятимуть довкола кожного реактора, використовуючи мінімальну кількість силових кабелів, що зменшить вагу цих елементів. Є надія, що під час проєктування заводів з’явиться технологія нейтронного (безнейтронного) термоядерного синтезу (наприклад, бор-водневий синтез).

Час, необхідний для формування придатної для дихання киснево-азотної атмосфери на Марсі, може бути меншим ніж час, необхідний для будівництва деяких готичних соборів.

Ефективна конструкція термоядерних установок і заводів для гідролізу також може зменшити викиди тепла. Наразі тривають попередні дослідження щодо способів отримання енергії безпосередньо з самого процесу термоядерного синтезу, щоб не встановлювати на кожній станції стандартний теплоенергетичний двигун із турбінами. Крім того, процес електролізу, який ми розглядаємо як основний приклад, може значно вдосконалитися, і не лише завдяки поліпшенню рідинного гідролізу, але й, можливо, шляхом використання електролізу при надкритичних температурах, парового електролізу, каталітичного електролізу або інших передових методів. Тому загальна потреба в енергії може виявитися набагато меншою ніж значення, наведені в таблиці для масштабування стандартної системи. Існують також різні методи гідролізу рідини. Деякі з них використовують протонообмінні мембрани, а інші передбачають додавання електролітів, таких як натрій і сірка, щоб дати змогу електричному струму рухатися крізь воду від одного електрода до іншого. На Марсі багато натрію і сірки. На жаль, є лише кілька джерел, які можуть дати нам підказку про те, наскільки великою може бути економія енергії в майбутньому. У світі, де енергії буде вдосталь, зусилля конструкторів будуть спрямовані не лише на зменшення споживання енергії, але й на зменшення кількості матеріалів, що використовуються, і, можливо, на скорочення обсягу робіт.

Припустимо, що в місцях розташування заводів розроблятимуть ділянки льодового шару глибиною в середньому близько одного кілометра, де під кожним квадратним кілометром знаходиться один мільярд метричних тонн криги. Якщо шар льоду не є чистою (однорідною) масою, то останній шар видобутку може залягати глибше або бути більшим. Режим роботи, ймовірно, буде схожий на той, що застосовується для відкритих шахт з видобутку міді або заліза, виглядатиме як концентричний набір кіл, адже такий метод видобутку запобігає надто крутому схилу в робочій зоні. Якщо працюватимуть з неглибокими відкладеннями льоду або із шарами гравію, загальна площа буде більшою. Заводи з плавлення й гідролізу можна було б розмістити на прилеглих ділянках, які не розробляються, але бажано, щоб під ними лежало мало льоду або взагалі його не було. Житлові приміщення для персоналу будуть майже повністю під землею для теплового і радіаційного захисту. Працівника матимуть доступ до заводів через герметичні тунелі й диспетчерські пункти. Вироблений кисень викидатиметься безпосередньо в атмосферу, і, можливо, зможе швидко переправляти деяку або більшу частину відпрацьованого тепла вгору й подалі від промислових об’єктів. Значні обсяги водню із заводів, розташованих ближче до населених пунктів, проходитимуть через трубопроводи й використовуватимуться як ракетне паливо або як сировина для виробництва метану.

Із загального обсягу в один мільйон кубічних кілометрів водяного льоду кожен з 7000 заводів із плавлення й гідролізу перероблятиме в цілому близько 143 кубічних кілометрів льоду, або загалом 0,715 кубічних кілометрів (715 мільйонів тонн льоду) на рік. Така гірничодобувна система покривала б приблизно 1/145 частину загальної площі Марса (а це 144,8 мільйона квадратних кілометрів), ймовірно, розмістившись навколо субполярних областей по колу, щоб не руйнувати тамтешні шаруваті поклади льоду одразу. Наприкінці використання електролізу, гідролізні заводи, що займають невелику частину кожної технологічної зони, будуть перепрофільовані на інші види діяльності, а територія звільниться. Якщо древній Бореальний океан врешті-решт зникне, розкопані ділянки матимуть глибші водні басейни, і навколо Південного полюса також мають утворитися кілька глибоких водойм.

Якщо почнеться транспортування азоту і виробництво кисню, ми повинні розібратися, за яких умов на поверхні Марса почне повільно зароджуватися життя. Зараз на поверхні немає рідкої води через дуже низький тиск (фактично фізіологічний вакуум), постійне космічне й ультрафіолетове випромінювання, тож уся вода на Марсі перебуває у замерзлому стані, а активні життєві процеси, ймовірно, не відбуваються ні на поверхні, ні в підповерхневих шарах.

Якщо припустити, що Марс достатньо прогріється внаслідок тераформування, що це стане тригером для сублімації решти 25 трильйонів тонн сухого льоду на південному полюсі, подвоївши його кількість в атмосфері до 50 трильйонів тонн, то лише це підвищить температуру кипіння води приблизно до 7 градусів за Цельсієм, що уможливить появу рідкої води на невеликих ділянках на нижчих висотах. Це також підвищить рівень тиску вуглекислого газу в середньому до 1,2 мілібар з нинішніх 0,7 мілібар. Нинішній тиск вуглекислого газу на Землі становить близько півмілібару, або 0,42 частини на тисячу. Для дихання вміст вуглекислого газу в атмосфері має бути не більше однієї частини на тисячу або одного мілібару, але 20% додаткового тиску вуглекислого газу (якщо порівнювати з ситуацією на Землі) не має спричинити жодних проблем.

Коли ми додамо в атмосферу вдесятеро більше азоту, або 500 трильйонів тонн, вода перейде в рідкий стан на багатьох висотах, що призведе до утворення хмар і, ймовірно, дощів. Під час дощу пил буде повільно вимиватися з повітря, і почнуть текти струмки та річки. Небо поступово перетвориться з кремово-коричневого на дуже темно-синє. Дощ почне вимивати перхлорати з реголіту і, зрештою, потрапить у Бореальний океан. Оскільки кількість перхлоратів у реголіті може сягати 1%, то цей процес може тривати досить довго. Поки види бактерій, які можуть перетравлювати перхлорати (наприклад, деякі з родів Dechloromonas і Azospira), не потраплять у кожну річку чи струмок, ціанобактерії не зможуть там рости. Спори бактерій можуть активно розноситися вітром, так що у верхів’я більшості струмків вони точно дістануться. Якщо види, здатні до метаболізму перхлоратів, не утворюють спор, ми зможемо розвинути їм таку ознаку за допомогою генної інженерії, коли настане цей етап тераформування.

Наразі кисень присутній на Марсі лише в крихітних кількостях. Будь-який тип вогню, що живиться киснем, не може існувати навіть при парціальному тиску нижче 158 грамів на квадратний сантиметр (71% від земного парціального тиску кисню). Доки на Марсі не з’явиться достатня кількість кисню, там можуть рости лише анаеробні організми, такі як бактерії ботулізму. Крім того, синьо-зелені водорості (або ціанобактерії) одразу ж почнуть рости в будь-яких водоймах, очищених від перхлоратів, оскільки їм не потрібен кисень (більшість з них – це водні види).

Як тільки ми додамо значну кількість кисню, деякі види організмів, які майже його не споживають, також зможуть розвиватися на планеті. Чим більше додавати кисню, тим більше різних організмів будуть заселяти Марс. Спочатку це будуть переважно аеробні бактерії і одноклітинні еукаріотичні водорості, оскільки кожна окрема клітина безпосередньо контактує з розчиненим у воді киснем. Мінімальний рівень становить щонайменше 10% від поточного рівня кисню або близько 21 грам на квадратний сантиметр у повітрі. Багатоклітинним тваринам, ймовірно, знадобиться принаймні третина поточного рівня або близько одного фунтів на квадратний дюйм кисню. Дрібним водним тваринам з кровоносною системою може знадобитися щонайменше 13.8 Kpa (або ~14% від земного парціального атмосферного тиску на рівні моря) кисню, оскільки клітини тварин не контактують безпосередньо з океанічною водою. Для більших тварин, таких як риби та амфібії, ймовірно, знадобиться щонайменше 176 грамів на квадратний сантиметр. Тварин і риб не слід заселяти доти, доки не буде достатньої кількості рослин або водоростей, які зможуть підтримувати харчовий ланцюг.

Більшість давніх земних організмів, у яких відзначали стійкість до низьких рівнів кисню, були водними, тому важко оцінити необхідний рівень кисню для наземних тварин. Оскільки багато тварин живуть поза водою, їхні легені мають прямий доступ до кисню з повітря, хоча їхні клітини залежать від циркуляції крові. Очевидно, що всі ці тварини мають кровоносну систему, тому будь-яка активна тварина, ймовірно, потребує щонайменше 141 грам на квадратний сантиметр кисню.

Зелені рослини, ймовірно, потребують щонайменше 50% рівня кисню на Землі або близько 105 грамів на квадратний сантиметр парціального тиску кисню. Розвинуте коріння рослин отримує менше кисню в землі, тому судинним рослинам може знадобитися 141 грам на квадратний сантиметр. Отже, озеленення Марса спочатку буде повільним процесом, який прискориться після того, як рівень кисню досягне 141 грам на квадратний сантиметр.

Перш ніж розглядати можливість запуску такого масштабного процесу, необхідно виконати низку застережень та умов, деякі з яких наведені нижче.

  • Економіка людства в Сонячній системі та/або на Марсі має бути достатньо великою, щоб підтримати ці заходи.
  • Витрати на період будівництва потрібно точно оцінити.
  • Треба досягти певного рівня державної або приватної підтримки.
  • Будівництво таких виробничих потужностей може розтягнутися на кілька десятиліть.
  • Системи реплікації значно знизили б вартість проєкту, тому час початку експлуатації має важливе значення.
  • Необхідно визначити джерела і обсяги тепловиділення на ділянках синтезу і гідролізу.
  • Можливе пошкодження обладнання внаслідок нагрівання може потребувати застосування активних систем контролю та розсіювання тепла.
  • Необхідно вибрати найбільш ефективну систему гідролізу, адаптовану до такого великого проєкту.
  • Пріоритетом має бути зменшення маси гідролізної установки і маси кабелів шляхом належного проєктування.
  • Перед початком проєктування слід дослідити методи перетворення енергії термоядерного синтезу не на основі теплових двигунів.
  • Поклади шаруватого (водного) льоду Північної і Південної полярних областей мають бути гарантовано захищені доти, доки фахівці з клімату не проведуть достатній відбір кернів льоду (і належне зберігання кернів льоду) для отримання достатньої інформації про клімат Марса в минулому. Кліматологи й конструктори ще довго сперечатимуться щодо мінімальної чи необхідної кількості кернів.
  • Коли це буде зроблено, поклади полярного льоду можна буде видобувати безпосередньо для отримання водяного льоду. Тиск азоту в повітрі й виробництво кисню – це першочергове завданням, а великі водойми можуть почекати.

Час, необхідний для формування придатної для дихання киснево-азотної атмосфери на Марсі, може бути меншим ніж час, необхідний для будівництва деяких готичних соборів. Цей важливий крок врешті-решт дозволить як мікробам, так і складному багатоклітинному еукаріотичному життю розвиватися в атмосфері й у воді на Марсі без участі людини.

За авторством Джона К. Стрікленда
27 листопада 2023 року
Оригінал

21 коментарів

Розгорнути всі

Будь ласка, у свій профіль, щоб коментувати пости, робити закладки та оцінювати інших користувачів. Це займає всього два кліки.

Лют 24, 2025 20:57 (редаг.)

Вторая картинка вселяет ужас и демотивирует 🙂

Лют 24, 2025 21:46 (редаг.)

Як на мою опінію терраформування далеко не першочергове!

Почнеться все з наукового аванпосту, до сотні відчайдухів.

Білет в один бік, перш за все з міркувань біологічної безпеки.

Насипати курган, де буде зручно.

Автоматами вивчати дуже дорого і дуже довго.
Марсіанська республіка другий етап, самодостатнє поселення людей. Максимально все своє – їжа, одяг, мінімум постачання з землі. Автоматизовані виробництва, аддитив тощо.

Знайти пристойну карстову/лавову порожнину, зробити євроремонт.

Лют 25, 2025 17:31 (редаг.)

Не понимаю зачем эти все рассуждения о \»терраформировании\» и прочем обустройстве Марса…исходя из сегодняшних технических и научных достижений? А двести лет назад наверно бы считали сколько \»бричек и лошадей\» надо было бы доставить на Марс, чтобы создать там \»транспортную систему\». Из сегодняшних достижений науки и техники нельзя нормально планировать что-либо качественно иное, чем просто создание там закрытых под куполами поселений. Остальное всё будет \»жуль-верновскими сказками\». Планы доставки на Марс каких-то невообразимых объёмов ресурсов, вопросы \»выращивания растений для еды\»… Неужели, например, через 50-100 лет еда не будет возможна к изготовлению, а не \»выращиванию\»? Это похоже на вопросы \»Где мы возьмём уголь и нефть, когда через 5 млрд лет Солнце потухнет?\»

Лют 25, 2025 21:27

От чего же, мне статья понравилась. Теперь я узнал еще одну сторону медали терраформирования планет.
Такие статьи охлаждают пылкие головы, особенно когда далек от физики.

Кві 13, 2025 14:42

Зазначу, що й атомний проєкт не робився від разу. Це процес розвитку концепцій. Цілком розвіданий етап наукового пізнання, яким іде людство.

Лют 25, 2025 18:52

а гравітація? По-перше, земні організми або вимруть, або мутують. А по-друге, низька гравітація в купі з відсутністю магнітного щита дозволять Сонцю видувати все те, що такою гіпер-арифметикою обраховане

Лют 27, 2025 04:01

Вот именно. Сохранить такую атмосферу нельзя будет….

Лют 27, 2025 19:56

Без створення електромагнітного щита намагання наповнення атмосфери киснем, то як наповнити ванну водою… Тонкою цівкою води, при відкритому зливному отворі!

Лют 27, 2025 19:58

Вимруть то наврят, щоб мутовали треба мешкати на поверхні. Але канцер скінчить поселенців раніше!

Лют 25, 2025 19:56

Никогда об этом не задумывался, но оказалось, что из-за низкой гравитации для создания необходимого давления нам потребуется атмосфера заметно больше, чем это было бы на Земле. А в связи с тем, что Марс не сможет такую атмосферу удерживать(опять же из-за низкой гравитации), подвоз компонентов придётся осуществлять бесконечно. Либо надо помещать всю планету в шар из прозрачной плёнки, которая будет удерживать атмосферу (а заодно и тепло).
Дальше, сделать пригодной для земной жизни всю планету всё равно не получится (у нас и на Земле не везде жить можно), а значит пригодной для жизни будет небольшая полоса вдоль экватора.
В таком случае что мешает выбрать достаточно большую долину и накрыть её прозрачным колпаком? И уже под этим колпаком формировать атмосферу. Количество требуемых в таком случае ресурсов уменьшается на несколько порядков, а результат будет примерно такой же и гораздо быстрее. А затем можно накрыть колпаком ещё один участок, и т.д….

Лют 25, 2025 20:50

Да уж, только сфера Дайсона поможет его терраформировать.
А пока тоннели, тоннели, Огромные тоннели…
А сверху парники, парники, Огромные парники…

Лют 25, 2025 22:05

Да уж, только сфера Дайсона поможет его терраформировать.
Да в том то и дело, что и тут результат не гарантирован. Если сделать обитаемой зону вокруг экватора, то ближе к полюсам скорее всего будет холодрыга посильнее, чем на Земле. Не понятно, как поведёт себя атмосфера, как будут двигаться воздушные массы в связи с конвекцией, как организуется круговорот воды, где будут формироваться и выпадать осадки… Скорее всего так, как оно само образуется, людям не понравится и придётся всё переделывать чуть менее, чем полностью. А может даже чуть более. 🙂 Но эксперимент бы получился интересный.Я бы на результат глянул. 😉
А сверху парники, парники, Огромные парники…
…гигантские парники. Если над тобой больше 5 км плотного воздуха, то можно не сильно боятся и жить в землянках, а не в тоннелях. Или даже в котеджах.

Лют 25, 2025 23:29

из-за низкой гравитации для создания необходимого давления нам потребуется атмосфера заметно больше, чем это было бы на Земле.
Это делает и без того сложнейшую задачу – терраформирование вообще безнадёжно сложной. Поэтому более реальным будет вариант когда люди построят кучу ОС, не важно на каких орбитах, приспособятся в них жить модификацией своего организма(эволюционно и/или с медицинским вмешательством) и откажутся от жизни на планетах. На Земле конечно кто-то останется, но основная масса расплодится на ОС, образует новый вид “космических кочевников, охотников-собирателей”. Подлетели к очередному космическому телу, роботами набрали ресурсов, полетели дальше. Ну и конечно как бонус – можно грабить корованы. 🙂

Бер 02, 2025 00:10

Дуже цікаве розрахування. Але є кілька питань.

  1. Кому це буде потрібно? Ну, тоб-то коли планета буде готова, то може комусь і знадобиться, але викидать понад 200 років таку купу ресурсів. То тоді по-перше потрібно на землі побудувати науковий комунізм. Привіт “Зоряний шлях”.
  2. Відсутність магнітного поля. Радіація все вб’є. Тут або ядро планети розігрівати і розкручувати цю катушку самотужки, або генно модифікуватись так, щоб радіація була до дупці. Таким чином, логічним було б створити адаптоване до марсу життя: гравітація, радіація, атмосферний тиск. Включаючи генно модифікованих людей.
  3. Як швидко нам наше сонечко цю атмосферу здує? Здуло раз, здує і другий. Може усе сміття з нашої системи зібрати і кидати на Марс? Додати йому ваги, розігріти, а як пилюка сяде, вже і атмосфера буде. Тілько відпрацювати з пропорціями треба буде.
Кві 13, 2025 14:45

Хитрий хід, пане /Андрію/, але збудувати львівське сміттєзвалище там не вийде.

Бер 02, 2025 05:42

Звучит очень увлекательно
Жалко что увидим максимум старт проекта (если повезёт)при таких таймингах

Бер 05, 2025 19:33

Разве что вы рассчитываете прожить лет этак с тыщу 😉

Бер 02, 2025 13:31

Як на мене, то тераформування Марсу має починатися із розміщення на довколамарсіанській орбіті планетоїда, котрий своєю гравітацією дозволить запустити геологічні процеси і, тим самим, утворить марсіанське магнітне поле. А далі вже і все інше, включно до контрольованого спуску на поверхню водовмісних комет

Кві 13, 2025 14:46

Так ми з вами дограємося до другої Теї.

Кві 03, 2025 12:33

Всі ці розрахунки зараз виглядають як економічний абсурд! В нас просто нема таких ресурсів! А коли вони з’являтья, якщо ми до того часу не самоповбиваємося. То напевно буде легше розкрутити Венеру, щоб одерталася 24 години та відтарабанити її трохи далі від Сонця. А там і гравітація така сама і площа більша і з атмосферою меньше проблем буде. Зменьштити щільність за рахунок затемненя та її атмосфера випаде в лід

Кві 07, 2025 13:58

Закрити Венеру від Сонця виглядає найбільш реалістично, ніж розкрутити і збільшити орбіту. Не кажучі вже про всі ці фантазії з Марсом.