Марс как второй дом: Что потребуется человечеству для создания колонии на Красной планете?

Разговоры о колонизации Марса давно вышли за пределы научной фантастики. Однако создание постоянного человеческого поселения на Красной планете — это не вопрос одного мощного корабля или удачной посадки. Речь идет о создании практически автономной цивилизации, которая должна будет добывать воду и сырье, производить энергию и еду, защищать людей от радиации и холода, а главное — функционировать без постоянной помощи Земли.

Именно такой комплексный подход предлагает исследователь Флориан Нойкарт в работе Towards Sustainable Horizons: A Comprehensive Blueprint for Mars Colonization. В центре его анализа — не столько сама идея высадки человека на Марс, сколько вопрос о том, как сделать человеческое присутствие там устойчивым, безопасным и экономически оправданным.

Планета, где человек не может просто выйти наружу

Главная проблема Марса заключается в том, что практически ни один из естественных параметров планеты не приспособлен для жизни человека.

Атмосферное давление на Марсе составляет в среднем около 600 паскалей — менее 1% от среднего давления на уровне моря на Земле. Атмосфера примерно на 95% состоит из углекислого газа, а кислорода, необходимого человеку для дыхания, практически нет. Прямое пребывание человека в таких условиях смертельно опасно.

Ситуацию усугубляет температура. На экваторе днем она может подниматься примерно до 20°C, но ночью опускаться до −73°C. В полярных регионах зимой температура способна достигать −125°C. Из-за разреженной атмосферы Марс плохо удерживает тепло, поэтому перепады температур создают проблемы не только для людей, но и для техники.

Есть и еще одна особенность: марсианский год длится 687 земных суток, поэтому сезоны значительно длиннее земных. Для будущей колонии это означает необходимость рассчитывать энергоснабжение и запасы не только на отдельные дни, но и на продолжительные периоды неблагоприятных условий.

Радиация: невидимая угроза для первых поселенцев

Одним из наиболее серьезных препятствий станет радиация. В отличие от Земли, Марс не имеет глобального магнитного поля, а его атмосфера слишком тонкая, чтобы обеспечивать эффективную защиту от космического и солнечного излучения. Основными источниками опасности станут галактические космические лучи и частицы, выбрасываемые Солнцем во время вспышек и корональных выбросов.

По данным, приведенным в исследовании, измерения Radiation Assessment Detector на марсоходе Curiosity показали, что во время перелета туда и обратно с пребыванием на поверхности астронавт мог бы получить дозу не менее 0,66 зиверта. В работе отмечается, что это более чем втрое превышает рекомендуемый предел радиационного воздействия для астронавта за всю карьеру.

Поэтому марсианское жилье, вероятно, будет сильно отличаться от привычных представлений о космической базе. Один из наиболее очевидных вариантов — размещение значительной части инфраструктуры под поверхностью.

Города под землей вместо домов на поверхности

Марсианский грунт сам по себе может превратиться в защитный материал. Несколько метров реголита и породы способны значительно снизить воздействие космической радиации, одновременно защищая помещения от резких перепадов температуры. Подземные конструкции могут также снизить энергетические затраты на отопление и охлаждение.

Именно поэтому концепция подземных поселений рассматривается как один из наиболее перспективных вариантов долгосрочной колонизации.

Однако строительство такого города потребует решения целого комплекса новых задач. На Марсе придется создавать технологии для бурения и прокладки тоннелей, обеспечивать циркуляцию воздуха и поддерживать безопасную внутреннюю среду. Кроме того, постоянная жизнь под землей может иметь психологические последствия. Среди возможных решений исследование называет виртуальные окна, зоны общего пользования с имитацией естественного света и регулярные выходы на поверхность.

Таким образом, подземный город должен будет стать одновременно убежищем, жилым пространством, производственным комплексом и системой жизнеобеспечения.

Марсианский бетон придется делать из самого Марса

Перевозить строительные материалы с Земли для создания полноценного города экономически крайне сложно. Поэтому один из ключевых принципов будущей колонии — использовать то, что уже находится на Марсе.

Одним из предлагаемых решений является так называемый марсианский бетон. В качестве основного сырья может использоваться реголит — смесь пыли, грунта и измельченной породы. В исследовании рассматривается вариант, при котором серу используют в качестве связующего материала: при нагревании она становится жидкой, смешивается с реголитом, а затем затвердевает. Эксперименты с имитаторами марсианского грунта показывали прочность такого материала, сопоставимую с обычным бетоном.

Преимущество подобной технологии очевидно: чем больше строительных материалов удастся производить непосредственно на Марсе, тем меньше грузов придется отправлять с Земли.

Но технология пока не лишена проблем. Исследование отдельно отмечает вопросы токсичности некоторых серных соединений, теплопроводности и относительно слабой прочности на растяжение. Поэтому речь идет не о готовом строительном стандарте, а о направлении, которое требует дальнейших испытаний.

Энергия: солнечных панелей будет недостаточно

Энергия станет фундаментом всей марсианской экономики. Без нее невозможно добывать воду, поддерживать давление и температуру в жилых модулях, выращивать растения, перерабатывать отходы или производить топливо.

Солнечная энергетика кажется естественным выбором, но на Марсе она работает в значительно более сложных условиях. Солнечный поток там составляет примерно 590 Вт/м² — около половины земного уровня. Кроме того, эффективность солнечных установок снижается из-за пыли и сокращения продолжительности светового дня зимой.

Особенно опасны глобальные пылевые бури. Во время таких явлений количество солнечного света, достигающего поверхности, может падать менее чем до 1% обычного уровня. Именно потеря энергии стала одной из причин завершения миссии марсохода Opportunity после масштабной пылевой бури в 2018 году.

Поэтому устойчивой колонии потребуется резервная энергетическая система. В качестве одного из вариантов рассматривается ядерная энергетика, способная обеспечить более стабильное производство энергии независимо от солнечного освещения. В исследовании также рассматриваются ветер и геотермальная энергия, однако разреженная атмосфера Марса ограничивает эффективность ветрогенерации, а перспективы геотермальной энергетики зависят от дальнейшего изучения внутреннего теплового потока планеты.

Вода станет основой марсианской экономики

Если энергию можно производить разными способами, то воду невозможно заменить нечем.

Она нужна не только для питья. Вода потребуется для выращивания растений, санитарных нужд, получения кислорода путем электролиза и потенциально — для производства ракетного топлива. Поэтому доставка больших объемов воды с Земли не имеет смысла: будущая колония должна будет добывать ее непосредственно на Марсе.

Главным источником рассматривается подповерхностный лед. Кроме того, потенциальными источниками могут быть атмосферный водяной пар и гидратированные соли.

Одним из вариантов станет добыча льда с последующим нагреванием и преобразованием в воду. Альтернативой могут служить специальные устройства, извлекающие водяной пар из атмосферы, а также технологии извлечения воды из солей. Последний способ, однако, требует больших затрат энергии и потому может использоваться скорее как дополнительный.

В итоге вода превращается из обычного природного ресурса в стратегический элемент всей системы жизнеобеспечения.

Еду придется выращивать без марсианской земли

Сельское хозяйство на Марсе также не сможет просто скопировать земную модель. Марсианский грунт содержит потенциально опасные соединения, в частности перхлораты, а создание полноценной плодородной почвы потребовало бы огромных усилий.

Поэтому перспективнее выращивать растения без использования самого марсианского грунта.

Один из рассматриваемых вариантов — аэропоника. При этой технологии корни растений находятся в воздухе и периодически получают питательный раствор в виде тумана. Исследование отмечает, что аэропонические системы могут использовать до 90% меньше воды по сравнению с традиционным земледелием. Вертикальное размещение растений позволит также максимально эффективно использовать ограниченное пространство внутри марсианских поселений.

Однако такая система имеет собственную уязвимость: отказ электрического или механического оборудования способен поставить под угрозу весь урожай. Поэтому сельское хозяйство на Марсе должно будет стать высокотехнологичной частью системы жизнеобеспечения, а не отдельной отраслью.

Водоросли могут одновременно давать кислород, еду и топливо

Еще более необычная часть предлагаемой архитектуры — использование биореакторов с водорослями.

В замкнутой марсианской системе водоросли потенциально могут выполнять сразу несколько функций. Они поглощают углекислый газ и выделяют кислород, могут участвовать в переработке сточных вод, а некоторые виды, например спирулина, способны служить дополнительным источником белка. Кроме того, липиды водорослей потенциально можно использовать для производства биотоплива.

Но и здесь нет простого решения. Биореакторы придется защищать от радиации, поддерживать в них стабильную температуру и обеспечивать достаточное освещение. Пылевые бури и удаленность Марса от Солнца делают вопрос искусственного освещения особенно важным.

Фактически речь идет о создании искусственной экосистемы, в которой отходы одного процесса становятся сырьем для другого.

Марс придется превратить в частично автономную экономику

Все перечисленные технологии объединяет одна идея: зависимость от Земли необходимо постепенно сокращать.

Постоянно доставлять на Марс воду, строительные материалы, топливо и другие тяжелые грузы слишком дорого. Поэтому первоначальные инвестиции в оборудование для добычи местных ресурсов могут оказаться выгоднее бесконечной транспортировки необходимых материалов с Земли. Исследование предлагает сравнивать эти модели с учетом не только прямой стоимости, но и рисков запуска, времени доставки, технических отказов и затрат на обслуживание местной инфраструктуры.

Именно здесь возникает экономический смысл колонизации. Марс может стать не только научной базой, но и площадкой для развития новых технологий, добычи ресурсов и формирования новых рынков.

Авторы работы также рассматривают потенциальные стимулы для частного сектора. Компании могут быть заинтересованы в добыче воды, металлов и других ресурсов, создании технологий, которые затем можно будет лицензировать на Земле, а в более отдаленной перспективе — в космическом туризме и даже недвижимости.