Кислород для Марса

Это перевод статьи, написанной Джоном Стриклендом (John K. Strickland), членом совета директоров международной некоммерческой организации National Space Society.

Наше общество уделяет много внимания созданию «запасного аэродрома» для человечества, и, наряду с космическими станциями, Марс является одним из лучших вариантов для этого. Но помимо человеческого рода и нашей цивилизации, мы также должны учитывать и другой важный аспект — поиск нового пристанища для самой жизни. В настоящее время единственным известным местом, где фактически существует, может выжить и развиться жизнь, является Земля — всего лишь одна небольшая планета. Именно невероятное разнообразие животных и растений, которые обитают на нашей планете, в её морях и на суше, поддерживает и обеспечивает наше существование. Мы бы чрезвычайно обеднели, если бы смогли сохранить в космосе только самые важные виды растений, которые выращиваем для пищи. Поэтому нам нужно больше думать о том, как сохранить всю биосферу целиком в живом состоянии.

В статье 2015 года Дон Баркер опубликовал одно из лучших заявлений в пользу освоения Марса, где упомянул «запасное пристанище для земной жизни»:

«Заселение Марса, вероятно, является чрезвычайно оправданным начинанием, которое создаст запасное пристанище для земной жизни, фактически, представляя собой глобальный митоз человеческой расы. Марс — единственное место, чья среда и доступные природные ресурсы смогут эффективно обеспечить постоянное и устойчивое проживание человека за пределами Земли» —  “The Mars Imperative”, Barker, Donald C., Volume 107, Acta Astronautica 3-2015.

Человечеству действительно необходимо создать пристанище, которое будет очень большим, с площадью поверхности, эквивалентной открытому пространству Земли, а не просто жилые зоны со своим микроклиматом. Чтобы обеспечить достаточно открытого пространства для значительного количества популяций и их потомства или же просто для нескольких тысяч видов существ, потребуются десятки или сотни очень крупных, специализированных искусственных жилых модулей в космосе. Я надеюсь, что такие конструкции смогут быть построены, и они станут служить временными убежищами, но всё же очень важно иметь полностью терраформированную планету, где животные и растения могли бы обитать в гораздо более просторном окружении за пределами жилых модулей. Это потребует терраформирования Марса, единственной планеты в Солнечной системе, где этот непростой процесс действительно может быть реализуем через уже известные нам законы физики.

Некоторые люди критикуют терраформирование, называя его «слишком грандиозным» или даже сравнивая этот процесс с «проявлением высокомерия». Их идеи пересекаются с движением Small is Beautiful, зародившимся около 40 лет назад. Если вы пытаетесь модифицировать атмосферу целой планеты, масштаб по определению будет казаться грандиозным. Эти антинаучные настроения напоминают мне отчаянные попытки радикалов остановить программу разведения в неволе калифорнийских кондоров. Казалось, что радикалы предпочли бы, чтобы кондоры вымерли, чем допустить успешную практическую деятельность человека по спасению целого вида. Эта программа привела к огромному увеличению численности кондоров с 22 особей в 1982 году до 540 в 2023 году, практически увеличив их популяцию в 25 раз всего за 41 год.

Те же самые ценности сталкиваются и здесь, но в гораздо более масштабном формате: сохранение значительной части огромного разнообразия самой жизни против сохранения статуса-кво для безжизненной планеты, которая на данный момент, вероятно, является полностью мёртвой и пустынной. Даже если бы на Марсе существовали живые микробы глубоко под поверхностью, ценность миллионов многоклеточных видов определённо превышала бы ценность этих микробов.

Я уже рассмотрел вопрос о том, как обеспечить большую часть атмосферного давления, необходимого для терраформирования Марса (см. Rethinking the Mars terraforming debate, The Space Review, 20 августа 2018 года). В этой статье описывается, как огромные объёмы азота в твёрдом состоянии могут быть доставлены с Плутона или других мест и высвобождены в атмосфере Марса без образования кратера. Это поспособствует образованию дождя и воды на Марсе. Несколько человек предложили Венеру как ближайший источник азота, но она находится в глубоком гравитационном колодце и азот должен быть добыт из верхних слоёв её атмосферы, отделён от углекислого газа и сжижен для доставки на Марс с большим значением характеристической скорости (delta-V). Плутон же имеет неглубокий гравитационный колодец, и азот уже находится в твёрдом состоянии, что делает его гораздо более простым для добычи и доставки в таких объёмах.

Для полного терраформирования Марса нам нужны две вещи: азот и некоторое количество кислорода. Только анаэробные бактерии могли бы выжить на Марсе без кислорода. Поэтому он также необходим.

Для того, чтобы попытаться начать терраформировать что-либо, существуют два основных требования: широкий доступ к космосу и его богатствам, а также какая-либо форма ядерной энергии для энергоснабжения систем аппарата и его двигательной установки. Скоро у нас должно появиться первое, а перспективы на второе выглядят весьма многообещающими. Без ядерного синтеза как терраформирование, так и межзвёздные полеты практически невозможны. Поскольку ядерный синтез происходит внутри каждой звезды, это не является чем-то, выходящим за пределы возможного. Именно такие огромные объёмы энергии и понадобятся нам для транспортировки азота и обеспечения Марса кислородом.

Требуется: 880 триллионов тонн кислорода для поддержки жизни земных растений и животных на Марсе. Это количество обеспечило бы среднее парциальное давление кислорода в размере 0,20 бар на квадратный метр для всей планеты. Это нормальный уровень кислорода, который мы вдыхаем где-то на уровне моря, поскольку большая часть из оставшихся 1,01 бар, которыми мы дышим на Земле, составляет азот. Самое высоко расположенное место, где люди могут существовать, находится примерно на высоте 5200 метров, где давление кислорода составляет примерно 40% от его давления на уровне моря, или около 0,08 бар; люди там очень сильно адаптированы. Некоторые же люди испытывают высотную болезнь уже на отметке 2700 метров, при давлении кислорода в 70% от стандартного или 0,15 бар парциального давления.

Мы можем приблизительно определить, сколько кислорода потребуется для насыщения им всей планеты, используя известные данные об её поверхности. Марс имеет площадь поверхности 144,8 миллиона квадратных километров, и каждый квадратный километр составляет один миллион квадратных метров. Для обеспечения стабильного состава атмосферы необходимо, чтобы давление азота всегда было в несколько раз выше, чем давление кислорода, чтобы предотвратить возгорание последнего.

В действительности, есть по крайней мере три способа измерения количества кислорода, необходимого на Марсе: давление на квадратный дюйм, давление на квадратный метр или масса на квадратный метр (что означает весь кислород в «воздушном столбе» над каждым квадратным метром, измеренным от поверхности до верхней границы атмосферы). Для обеспечения парциального давления кислорода в 0,21 бар на Марсе, с его более низкой гравитацией, требуется примерно 2,1 марсианских тонн давления кислорода на квадратный метр или 2,1 миллиона тонн на квадратный километр. Поскольку гравитация на Марсе составляет примерно 0,376 G, вам потребуется в 2,66 раз больше кислорода, чтобы достичь необходимого давления, или примерно 5,59 тонн на каждый квадратный метр поверхности. 2,1 тонны на квадратный метр также являются тем значением давления кислорода, которое вам необходимо на Марсе. Если бы Марс имел такую же гравитацию, как Земля, вам бы потребовалось всего 304 триллиона тонн кислорода. Таким образом, если каждый квадратный километр требует 5,59 миллиона тонн кислорода, то Марсу потребуется 5,59 миллиона тонн умножить на 144,8 миллиона квадратных километров, что составляет около 810 триллионов тонн кислорода.

В природе кислород является химически активным элементом, подобным фтору, и «стремится» к синтезу с другими элементами, образуя соединения, такие как вода. Поэтому в природе нет кислородных шахт, за исключением случаев, когда вы хотите лишить атмосферу Земли значительной части её кислорода, созданного биологически. Таким образом, кислород должен быть создан при помощи химических процессов из кислородного соединения, например воды.

На самом деле, на Марсе есть множество тысяч кубических километров льда, каждый из которых содержит один миллиард тонн или один миллиард кубических метров льда. Если на Марсе есть по меньшей мере один миллион кубических километров льда, что приблизительно равно объёму ледяного реголита или ледника 1 000 на 1 000 на 1 километр в глубину, это количество будет содержать 1 000 триллионов тонн или 1 квадриллион тонн льда. Если это чистый лёд, он будет занимать площадь в один миллион квадратных километров (на Марсе фактически есть около 145 таких областей). 1 000 триллионов тонн льда могут быть преобразованы в 880 триллионов тонн кислорода и 120 триллионов тонн водорода при помощи гидролиза, что превышает желаемое количество кислорода примерно на 10%.

Если же окажется, что на Марсе нет необходимого количества льда, огромные его объёмы также могут быть добыты из многочисленных ледяных астероидов. После того как у нас появится ядерная энергия, мы сможем обеспечить необходимые огромные её объемы для насыщения Марса нужным количеством кислорода. Вместе с доставленным туда азотом это позволит полностью терраформировать Марс.

Электролиз воды (при использовании щелочного метода) имеет электрическую эффективность от 70 до 80% и позволяет преобразовать десять килограммов льда в один килограмм водорода и около девяти килограммов кислорода. Для этого требуется 50 000-55 000 ватт-часов (180-200 мегаджоулей) электричества. Используя тот же метод, для электролиза одной метрической тонны воды требуется пять мегаватт-часов.

Для электролиза одной метрической тонны воды требуется 6 300 000 ватт-часов при использовании метода с протонообменной мембраной (Proton Exchange Membrane) как на Международной космической станции (по информации из «Руководства по конверсии энергии на основе водорода»). Это означает разницу почти в 20%. Учтём, что соотношение, по массе, водорода к кислороду составляет 2:16, то есть кислород составляет 16/18 = 8/9 от единицы массы воды. Следовательно, в одной метрической тонне воды содержится около 888 килограммов кислорода и около 112 килограммов водорода.

Требуемое количество марсианского льда для производства 0,21 бар кислорода составляет 1 000 триллионов тонн или 1 квадриллион тонн. Требуемый объём льда составит около 1 000 на 1 000 на 1 километр в глубину. Предполагается, что электролизная установка имеет эффективность около 71%. Производственные показатели основаны на использовании примерно 6 300 киловатт-часов или 6,3 мегаватт-часов для электролиза одной метрической тонны воды, как указано выше. Сжатие большей части полученного газа в криогенные жидкости не требуется, но я предположу, что установка будет использовать 7,0 мегаватт-часов на каждую тонну воды, чтобы обеспечить примерно 11% запас.

Вот таблица масштабирования, показывающая использование энергии и массы для гидролиза различных объёмов льда. В каждой строке масса и потребление энергии увеличиваются в 1 000 раз по сравнению с предыдущей. Большинство людей даже не знакомы с названиями таких больших объёмов энергии.

В последней строке курсивом указаны объёмы, с которыми нам действительно придётся иметь дело.

Дополнительные 8–10% (80 триллионов тонн) кислорода, вероятно, будут поглощены поверхностными породами и реголитом, находившимися под воздействием близкого к вакууму окружающего пространства в течение миллиардов лет, что привело к снижению давления кислорода и уровня его насыщения поверхностными молекулами пород до практически нулевого уровня.

На каком временном масштабе разумно использовать семь зеттаватт-часов энергии? Для разбиения такого циклопического масштаба на управляемые величины мы могли бы произвольно начать с 7 000 установок, каждая из которых потребует «только» 1 экзаватт-час энергии в течение периода эксплуатации. Этот большой набор установок можно назвать Системой производства кислорода Эдгара Райса Берроуза, или ERB-OPS (Edgar Rice Burroughs Oxygen Production System), поскольку именно он описал огромную «атмосферную установку», существующую на Марсе, в своих знаменитых историях о Барсуме, написанных около столетия назад. Этот план предполагает, что мы в конечном итоге сможем построить очень крупные энергетические установки на основе ядерного синтеза.

В течение какого срока каждая установка израсходует свои 1 экзаватт-час энергии? Большая часть полного атмосферного давления на Марсе, способного поддерживать дыхание, должна быть воссоздана примерно за 150–200 лет при условии одновременной доставки азота из внешней области солнечной системы. Если мы установим период действия проекта по созданию кислородных установок им. Берроуза в 200 лет, каждая из них должна будет расходовать пять петаватт-часов энергии на каждый земной год (один экзаватт-час / 200 = пять петаватт-часов). Точный период времени не является критически важным и будет определяться будущими решениями относительно стоимости и масштаба операции по терраформированию.

Поскольку в каждом земном году 8 766 часов, энергия на каждой установки должна расходоваться со скоростью 5,000,000,000,000,000 / 8766 = ~570,400,000,000 ватт-часов или 570,4 гигаватт-часов, или мощность в 570,4 гигаватта. Во время полномасштабной работы системы Берроуза все 7 000 установок, работающих при мощности в 570,4 гигаватта в час, будут расходовать примерно 4 000 тераватт или четыре петаватт энергии (из-за высокого диапазона величин в расчётах, мощность одной установки должна быть между 570,4 и 571,5 гигаватт).

Если вся человеческая цивилизация в настоящее время использует примерно 20 тераватт или 20 000 гигаватт энергии, мощность одной установки Берроуза будет находиться на том же уровне, что и примерно 1/35 всего текущего энергопроизводства человечества (570 / 20 000 = 0,0285), в то время как общая мощность системы Берроуза будет примерно в 200 раз больше, чем всё текущее энергопроизводство и потребление человечества (4 000 / 20 = 200). Для сравнения, Земля получает постоянный поток солнечной энергии на своей солнечной стороне в размере 174 000 тераватт. Примерно 122 000 тераватт этой энергии (122 петаватт в час) достигает поверхности и нижней атмосферы. Таким образом, Земля получает от Солнца примерно 2 923 000 тераватт-часов каждые 24 часа. Таким образом, система Берроуза будет генерировать и использовать энергию, эквивалентную примерно 3% солнечной энергии, которую получает вся солнечная сторона Земли.

В таблице ниже все измерения указаны в тераваттах (1 000 гигаватт) или тераватт-часах. Например, Северная Америка использует электроэнергию на уровне нескольких тераватт. Таким образом, каждая установка будет производить энергию со скоростью примерно 1/10 от этого или примерно в 500 раз больше, чем типичная электростанция мощностью в один гигаватт. Конечно, каждая установка может существовать в виде набора из десяти 50-гигаваттных электростанций, расположенных близко друг к другу.

Можно подумать, что это может перегреть всю планету, но соразмерный участок на Марсе получает только половину солнечного света, чем такой же на Земле, поэтому даже если тепло будет распределено равномерно по всей планете, Марс не будет перегреваться. Чтобы быть хотя бы таким же тёплым, как Земля без учёта дополнительных парниковых газов, ему нужно получать около 26 000 тераватт солнечного света на его солнечной стороне, размером с четверть Земли, в то время как в настоящее время он получает всего около 18 000 тераватт. Зоны, где добывают лёд и работают установки, составят около 1/145 поверхности, то есть один миллион квадратных километров из 144,8 миллионов квадратных километров. На практике строительство установок при помощи автоматических систем будет осуществляться последовательно, участок за участком, чтобы они все вошли в эксплуатацию в течение десятилетий.

Такие высокие уровни энергопотребления могут быть обеспечены практически только при помощи ядерной энергии. Мы также предполагаем, что эти ядерные электростанции могут быть масштабированы в несколько раз (от одного до пяти гигаватт), чтобы создать наиболее эффективный размер ядерного реактора, так что энергия от одного или нескольких реакторов может быть распределена между несколькими гидролизными установками, окружающими каждый реактор, используя наименьшее количество электрокабелей и связанной с ними массы. Есть надежда, что форма анейтронного (без нейтронов) ядерного синтеза, такого как слияние бора и водорода, будет доступна при проектировании этих установок.

Допустим, что области с ледяными пластами разрабатываются в среднем на глубину около одного километра на местах размещения установок, с одним миллиардом метрических тонн льда под каждым квадратным километром. Если ледяной слой не представляет собой чистый лёд, окончательный слой выемки будет глубже или больше. Режим работы вероятно будет аналогичен тому, что используется для разработки поверхностных шахт меди или железа, выглядя как концентрический набор кругов, и избегая создания слишком крутого склона в рабочей зоне во время горных работ. При разработки более мелких ледяных отложений или тех, в которых присутствуют слои гравия, общая площадь будет шире. Ядерные и гидролизные установки будут расположены на соседних участках, на которых не осуществляется добыча, желательно тех, под которыми мало или совсем нет льда. Помещения для сотрудников будут построены практически полностью под землёй для защиты от тепла и радиации. Рабочие будут иметь доступ к установкам через герметичные туннели и диспетчерские. Вырабатываемый кислород будет выбрасываться непосредственно в атмосферу и, возможно, сможет отводить большую часть тепла от промышленных объектов. Значительные объёмы водорода из установок, расположенных ближе к поселениям, будут поступать по трубопроводам для использования в качестве ракетного топлива или как сырьё для производства метана.

Из общего объёма в один миллион кубических километров льда каждая из 7 000 ядерных и гидролизных установок будет обрабатывать примерно 143 кубических километра льда, или общий объём в 0,715 кубического километра (715 миллионов тонн льда) в год. Такая система добычи покроет примерно 1/145 всей площади Марса (которая составляет 144,8 миллиона квадратных километров) и, вероятно, будет распределена в окрестностях субполярных областей по кругу, чтобы поначалу не разрушать расположенные там слоистые ледяные отложения. По завершении периода своей эксплуатации, гидролизные установки, занимающие небольшую часть каждой обрабатываемой области, могут быть преобразованы для других целей, высвобождая земельные участки. Если древний Бореальский океан в конечном итоге будет выработан, выемочные участки будут иметь более глубокие воды, и также должны появиться глубокие бассейны вокруг Южного полюса.

Когда начнутся процессы по доставки азота и генерации кислорода, нам необходимо будет понять, как именно жизнь начнёт медленно обосновываться на поверхности Марса. В настоящее время на его поверхности или поблизости от неё , вероятно, не происходит активных процессов жизнедеятельности из-за очень низкого давления (по сути физиологического вакуума), с постоянным космическим и ультрафиолетовым излучением и с практически всей водой в замороженном виде.

Если предположить, что Марс был бы достаточно прогрет терраформирующими процессами для сублимации оставшихся 25 трлн тонн сухого льда на южном полюсе, удвоив его количество в атмосфере до 50 трлн тонн, это одно лишь это повысило бы температуру кипения воды примерно до 7 градусов Цельсия, что позволило бы ей образовываться естественным образом в некоторых зонах на более низких высотах. Это также повысило бы уровень давления углекислого газа до примерно 1,2 миллибар от текущих 0,7 миллибар. Текущие уровни углекислого газа на Земле составляют около половины миллибара или 0,42 частей на тысячу. Для дыхания уровень углекислого газа не должен превышать примерно одну часть на тысячу или один миллибар в атмосфере, но лишние 20% давления углекислого газа не должны вызывать проблем.

К моменту, когда мы добавим в атмосферу в десять раз больше азота, или 500 трлн тонн, вода может стать жидкой на разных высотах, что поспособствует образованию облаков, и, вероятно, даже начнётся дождь. С дождём пыль будет медленно вымываться из воздуха, и начнут течь ручьи и реки. Небо постепенно поменяет цвет от кремово-бежевого к глубоко тёмно-синему. Дождь начнёт вымывать перхлораты из реголита, в конечном итоге, в Бореальский океан. Поскольку содержание перхлоратов в реголите может достигать 1%, этот процесс может занять некоторое время. Цианобактерии не смогут расти в ручьях и реках до тех пор, пока туда не будут внедрены виды бактерий, способные переваривать перхлораты (например, некоторые экземпляры из родов Dechloromonas и Azospira). Споры бактерий, вероятно, можно будет распространять при помощи ветра, так что истоки большинства ручьёв получат их. Если виды, способные метаболизировать перхлораты, не образуют споры, мы, возможно, сможем добавить им эту способность при помощи генной инженерии к моменту начала терраформирования.

В настоящее время свободный кислород присутствует на Марсе лишь в крайне малых количествах. Кислородные огни любого вида не смогут даже гореть при парциальном давлении ниже примерно 0,16 бар или 71% от парциального давления кислорода на Земле. Пока кислород не будет добавлен, смогут расти только анаэробные организмы, такие как бактерии ботулизма. Кроме того, сине-зелёные водоросли (или цианобактерии) начнут расти немедленно в любых водоемах, очищенных от перхлоратов, так как им для выживания не требуется кислород (большинство из этих организмов будут водными).

Как только будет добавлено значительное количество кислорода, некоторые виды организмов с низким содержанием кислорода также смогут начать расти. Чем больше мы будем его добавлять, тем больше видов организмов может возникнуть. В начале большинство из них будут аэробными бактериями и одноклеточными эукариотическими водорослями, поскольку каждая их отдельная клетка находится в прямом контакте с растворенным в воде кислородом. Минимальный уровень составляет по меньшей мере 10% от текущего уровня кислорода или около 0,02 бар в воздухе. Многоклеточным существам, вероятно, понадобится по меньшей мере треть текущего уровня, или около 0,07 бар кислорода. Маленьким водоплавающим существам с кровеносными системами может потребоваться по меньшей мере 0,14 бар кислорода, поскольку их клетки не находятся в прямом контакте с водой океана. Крупным существам, таким как рыбы и амфибии, вероятно, понадобится по меньшей мере 0,17 бар. Животных и рыб не будут вводить в созданную экосферу, пока не будет достаточного количества растений или водорослей, чтобы поддерживать их жизнедеятельность.

Большинство древних земных животных, изученных на толерантность к низким уровням кислорода, были водоплавающими, поэтому трудно определить необходимые его уровни для сухопутных животных. Поскольку многие животные обитают вне воды, их лёгкие будут иметь прямой доступ к кислороду в воздухе, хотя их клетки зависят от циркуляции крови. У всех из них, очевидно, есть кровеносные системы, поэтому любым активным животным скорее всего понадобится по меньшей мере 0,14 бар кислорода.

Зелёные растения, вероятно, потребуют по меньшей мере 50% от текущих уровней кислорода или около 0,1 бар парциального давления кислорода по сравнению с сегодняшним уровнем парциального давления кислорода на уровне моря в 0,21 бар. У развитых растений корни получают меньше кислорода под землёй, поэтому сосудистым растениям может потребоваться 0,14 бар. Таким образом, видимое озеленение Марса вначале будет довольно медленным процессом, ускоряясь после достижения уровня кислорода в 0,14 бар.

Перед тем как кто-либо начнёт рассмотрение такого крупномасштабного процесса, существует ряд условий и предпосылок, которые должны быть выполнены:

1. Экономика человечества в Солнечной системе и/или на Марсе должна быть достаточно крупной для поддержки данного проекта.
2. Стоимость проекта на протяжении строительного периода должна быть точно оценена.
3. Должен существовать какой-то уровень общественной или частной поддержки.
4. Разработка и создание оборудования может осуществляться в течение нескольких десятилетий.
5. Системы репликации значительно снизили бы стоимость всей системы, поэтому важно правильно выбрать момент начала операции.
6. Источники и уровни тепловыделения на местах ядерного синтеза и гидролиза должны быть правильно рассчитаны.
7. Возможные повреждения оборудования от нагрева могут потребовать более активных систем контроля и рассеивания тепла.
8. Следует выбрать наиболее эффективную систему гидролиза, приспособленную для такого крупного проекта.
9. Следует отдавать приоритет уменьшению массы гидролизных установок и проводки, благодаря качественному проектированию.
10. Следует исследовать методы преобразования энергии при помощи ядерного синтеза без использования теплового двигателя перед началом процесса проектирования.
11. Ледяные слои на Северном и Южном полюсах должны быть гарантированно защищены до выполнения достаточного количества бурений (и правильного хранения ледяных кернов) специалистами по климату для восстановления информации о прошлом климате Марса. Минимальное необходимое количество бурений будет обсуждаться между климатологами и проектировщиками.
12. После этого ледяные залежи на полюсах могут быть разработаны для добычи содержащегося в них ледяного льда, если это необходимо. Атмосферное давление азота и генерация кислорода имеют первоочередное значение, крупные водоёмы могут подождать.

Время, необходимое для создания на Марсе атмосферы с пригодным для дыхания содержанием кислорода и азота, может оказаться меньше, чем требовалось на строительство некоторых готических соборов. Этот значительный шаг в конечном итоге позволит существовать как микроорганизмам, так и сложной многоклеточной эукариотической жизни на открытом воздухе и в воде на Марсе без необходимости человеческого ухода.

Источник