Kolonizacja Marsa: 10 problemów, z którymi musi zmierzyć się ludzkość

W 2016 roku Ilon Musk przedstawił swój plan kolonizacji Marsa. Według niego pierwsze załogi miały polecieć na czerwoną planetę już w 2024 roku. Na papierze wszystko wyglądało świetnie, ale teraz mamy rok 2024 i nie widać żadnych postępów. Dlaczego?

Problem 1. Grawitacja

Mars jest mniej więcej o połowę mniejszy od Ziemi. Jego promień równikowy wynosi 3400 kilometrów - to 53,2% promienia ziemskiego. Masa czerwonej planety różni się jeszcze bardziej i wynosi 6,4⋅1023 kg - to tylko 11% masy Ziemi. Jeśli odwołamy się do klasycznej teorii grawitacji Newtona, jasne jest, że wszystkie ciała na planecie doświadczą mniejszej siły grawitacji. Przyspieszenie swobodnego spadania na Marsie wynosi 3,7 m/s2 - 2,6 razy mniej niż na Ziemi.

Wydawać by się mogło, że w czym tkwi problem? Przecież w tym przypadku każdy statek kosmiczny musiałby rozwinąć mniejszą drugą prędkość kosmiczną, aby oderwać się od powierzchni i polecieć do domu. Pozwoliłoby to silnikom pracować z mniejszą mocą podczas startu, zużywać mniej paliwa itd. A co jest takiego strasznego dla osoby na powierzchni? Cóż, będzie skakał wyżej podczas chodzenia, to wszystko?

W rzeczywistości nie jest to takie proste. Badania pokazują, że długotrwała ekspozycja organizmu na niską grawitację, podobną do marsjańskiej, prowadzi do:

Do utraty masy kostnej - od 1 do 1,5 procent. Gęstość i wytrzymałość naszego szkieletu zmniejsza się, co oznacza, że nie jest on w stanie wytrzymać takich samych obciążeń jak wcześniej. Zwiększa się ryzyko kontuzji.

Zanikają mięśnie posturalne - zwane również mięśniami antygrawitacyjnymi. To one pomagają utrzymać nasze ciało w pozycji pionowej. Mniejsza grawitacja powoduje ich dosłowne „przetrenowanie”.

Redystrybucja płynów w organizmie. Klasycznym problemem jest opuchnięta twarz oraz brak smaku i zapachu.

Problemy z układem sercowo-naczyniowym - serce jest zmuszone do pompowania krwi z mniejszą siłą niż zostało to zaprojektowane przez naturę w warunkach ziemskiej grawitacji.

Oczywiście zmiany w organizmie na Marsie nie są tak silne, jak w warunkach mikrograwitacji na ISS. I żaden z rekordowych kosmonautów pod względem czasu spędzonego na orbicie, jak nasz Giennadij Padałka, nie stał się niepełnosprawny w ciągu 878 dni po powrocie na Ziemię.

Owszem, nie stał się, ale przeszedł długi okres adaptacji. A ludzie będą żyć na czerwonej planecie podczas kolonizacji nie przez 2-3 lata, jak rekordziści na ISS, ale przez dziesięciolecia. Dorosły organizm, oczywiście, dostosuje się - gdzie może się udać? Ale jak to wpłynie na zdrowie w przyszłości, nie wspominając o wpływie na organizm dorastających dzieci-kolonistów (a one nieuchronnie się pojawią) - to jest wielkie pytanie. Wszystko to wymaga dalszych badań.

Jak można to rozwiązać. Na przykład użyć wirówek, które sztucznie zwiększą grawitację i utrzymają ciało w dobrej kondycji. Uruchommy wielki pociąg na ringu, żyjmy i śpijmy w nim. Ale skądś będziemy musieli czerpać energię do poruszania tym pociągiem.

Problem 2. Promieniowanie

Ziemia posiada pas radiacyjny Van Allena, który chroni nas przed niebezpiecznym promieniowaniem kosmicznym, takim jak galaktyczne promienie kosmiczne (GCR), które są powodowane przez eksplodujące supernowe. Obronę tworzy pole magnetyczne naszej planety.

Mars, podobnie jak Wenus i Merkury, nie posiada jednak tego pasa promieniowania ze względu na swoją strukturę. Z tego powodu promieniowanie kosmiczne nie jest przez nic opóźniane i wpływa na wszystkie obiekty na powierzchni planety. A oddalenie Marsa od Słońca niewiele poprawia sytuację.

Orbitująca sonda kosmiczna NASA Mars Odyssey bada czerwoną planetę od 2001 roku dzięki instrumentowi Mars Radiation Experiment (lub MARI). Z odczytów wynika, że średni poziom promieniowania wynosi 0,7 mSv/dzień i może wahać się od 0,35 do 1,15 mSv. Późniejsze badania przeprowadzone przez łaziki marsjańskie, takie jak Curiosity, potwierdziły te same dane.

Dla porównania, naturalny poziom absorpcji na Ziemi wynosi 2,4 mSv rocznie (!!!). Oznacza to, że osoba przebywająca na powierzchni Marsa przez 2-3 dni zgromadzi dawkę ziemską przez rok. To 2-3 razy więcej niż dawka otrzymywana przez kosmonautów na ISS - a przypomnijmy, że nie mieszkają oni tam przez dziesięciolecia, jako przyszli kolonizatorzy Marsa.

Jeśli dodamy do tego dawkę, którą astronauci otrzymają podczas lotu (0,7 siwerta przez 350 dni), liczba skumulowanego promieniowania staje się dość przerażająca. Konsekwencje są dobrze znane: choroba popromienna i wysokie ryzyko zachorowania na raka.

Jak można temu zaradzić? Po pierwsze, opracowanie skutecznych i jednocześnie lekkich osłon przed promieniowaniem dla statków kosmicznych w celu ochrony astronautów przed GCR. Na przykład obecnie aktywnie opracowywane są materiały kompozytowe i polimery, które znacznie zmniejszą dawkę promieniowania podczas lotu.

Po drugie, dla długoterminowej ochrony przed promieniowaniem podczas pobytu na powierzchni trzeba będzie budować podziemne schrony o bardzo grubych ścianach, jak w ziemskich bunkrach. Ale w tym celu konieczne będzie dostarczenie na miliony kilometrów potężnego sprzętu budowlanego i zapewnienie mu paliwa do pracy - o tym powiemy więcej poniżej.

Najbardziej fantastycznym wariantem jest stworzenie sztucznych biegunów magnetycznych i zorganizowanie pasa Van Allena dla całej planety. Badania również trwają, ale realizacji z pewnością nie należy się spodziewać w najbliższych dziesięcioleciach.

Problem 3. Temperatura

Życie na Ziemi jest możliwe w dużej mierze dzięki jej idealnej odległości od Słońca, nachyleniu osi, okresowi rotacji itp. Połączenie tych czynników zapewnia optymalny reżim temperaturowy dla życia.

Sytuacja z Marsem jest nieco inna. Znajduje się on w znacznie większej odległości - okres jego obrotu wokół Słońca wynosi 687 ziemskich dni. Na powierzchnię planety pada maksymalnie 590 W/m2 - to znacznie mniej niż na Ziemi. Z tego powodu średnia dzienna temperatura na powierzchni wynosi -53˚C i waha się od -128˚C w nocy do +27˚C w południe, czyli bardzo krótko. Oczywiście są to wahania temperatury nieodpowiednie dla ludzkiego życia.

Jak można to rozwiązać. Pierwsza opcja jest łatwiejsza: stworzyć ogrzewane moduły na powierzchni. Jednak będziemy musieli skądś wziąć energię, aby ogrzać ogromną przestrzeń, w której będą mieszkać koloniści.

Inną opcją jest zakopanie się pod powierzchnią na wymaganą głębokość, gdzie wahania temperatury nie będą tak znaczące i mogą być ogrzewane z jądra Marsa. Jego temperatura według szacunków RAS wynosi około 1000˚C, ale jak rozkłada się gradient temperatury, dokładnie nie wiadomo. Dlatego o głębokości pozostaje tylko przypuszczenie.

W każdym razie nie mówimy o setkach metrów, ale o kilku (może kilkudziesięciu) kilometrach. A na takiej głębokości będziemy musieli zbudować podziemne miasto, co samo w sobie jest niesamowitym wyzwaniem.

Również wyrażone dość niesamowite teorie już z kategorii terraformowania: podgrzać atmosferę Marsa, instalując na orbicie ogromne lustra o średnicy 125 kilometrów, aby skoncentrować energię słoneczną. Biorąc pod uwagę obfitość dwutlenku węgla w atmosferze, podniosłoby to temperaturę do akceptowalnych wartości z powodu efektu cieplarnianego.

Problem 4: Atmosfera

Skład gazowy ziemskiej atmosfery jest idealny dla życia. Powietrze składa się w 78% z azotu, 21% z tlenu i 1% z innych gazów. Dwutlenek węgla stanowi zaledwie 0,03%. Jak wszyscy słyszeli, jego wzrost powoduje problemy klimatyczne. Ciśnienie wynosi 1013,25 mbar. Nawet niewielkie odchylenie od tej wartości jest natychmiast zauważalne dla niewprawionego organizmu. Wystarczy wspiąć się na górę lub zanurkować wystarczająco głęboko, by to poczuć.

Na Marsie atmosfera jest znacznie bardziej rozrzedzona, a skład gazu nie zadowoli żadnego kolonisty: 95 procent dwutlenku węgla, 2,7 procent azotu, 1,6 procent argonu i tylko 0,14 procent tlenu. Ciśnienie wynosi zaledwie 6-7 mbar - to 0,5% ciśnienia ziemskiego i poniżej limitu Armstronga. Osoba bez kombinezonu wyrównującego ciśnienie i systemu dostarczania powietrza nie byłaby w stanie egzystować.

Jak można to rozwiązać. Posiadać wystarczające zapasy powietrza na kilka lat i sprzęt inżynieryjny, który wytworzy wystarczające ciśnienie dla ludzi w skafandrach i pomieszczeniach. Jednak powietrze ma tendencję do wyczerpywania się i będzie musiało być dostarczane z Ziemi.

Inna interesująca opcja jest testowana podczas eksperymentu MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilisation Experiment) na łaziku Perseverance. Specjalne urządzenie pozyskuje tlen z atmosfery za pomocą elektrolizy tlenków stałych. Jeśli się powiedzie, zmniejszy to zależność od transportu z Ziemi.

Jeśli jednak chodzi o terraformowanie, sprawy są znacznie bardziej skomplikowane. Na przykład czapy polarne Marsa mają znaczne rezerwy lodu wodnego i zamrożonego dwutlenku węgla. Ilon Musk zaproponował zrzucenie nad nimi ładunków nuklearnych w celu uwolnienia tych rezerw i zwiększenia ciśnienia do akceptowalnego poziomu (a jednocześnie podniesienia temperatury ze względu na wzrost efektu cieplarnianego).

Nie rozwiązałoby to jednak problemu zmiany składu gazowego powietrza - byłoby tylko więcej dwutlenku węgla. A najnowsze badania pokazują, że uwolnienie wszystkich rezerw na Marsie zwiększy ciśnienie tylko o 7% ciśnienia ziemskiego, co jest zdecydowanie niewystarczające. W każdym razie wygląda na to, że Musk tylko żartował.

Problem 5. Burze piaskowe

W rzeczywistości Mars wcale nie jest czerwony, jeśli spojrzeć na zdjęcie z góry. Ale takie wrażenie można odnieść, patrząc na planetę przez teleskop, ponieważ atmosfera zawiera cząsteczki pyłu i marsjański regolit zmieszany z cząsteczkami tlenku żelaza.

Ze względu na gradienty termiczne i nierównomierne ogrzewanie powierzchni Marsa, powstają wiatry, które wzniecają pył i tworzą zawiesinę w powietrzu. Czasami przypomina to burze pyłowe. Jednakże, ponieważ gęstość atmosfery jest bardzo niska i nie ma pary wodnej, która wiązałaby cząsteczki, takie burze nie są destrukcyjne.

Głównym problemem jest spadek intensywności światła słonecznego, a także zatykanie się powierzchni paneli słonecznych. Z tego powodu podczas silnej burzy pyłowej inżynierowie NASA zmniejszyli pobór mocy łazika Opportunity - aby poczekać, aż baterie będą mogły zostać ponownie naładowane.

Jak można to rozwiązać. Jeśli nie weźmiemy pod uwagę dość utopijnych pomysłów na terraformowanie w stylu „zwiążmy pył wodą”, odpowiedź jest prosta - nie należy polegać na energii słonecznej. Co więcej, poziom nasłonecznienia (ekspozycji powierzchni na światło słoneczne (promieniowanie słoneczne)) na Marsie nie jest najwyższy, jak omówiliśmy powyżej.

Najlepszą opcją jest posiadanie alternatywnych źródeł energii i potężnych baterii, które pozwolą kolonistom przetrwać do końca burzy.

Problem 6. Woda

Woda jest najbardziej znaną rzeczą dla mieszkańców Ziemi. W końcu nasza planeta jest w 70% pokryta wodą: wszędzie wokół są morza, oceany, rzeki i jeziora. Na Marsie tego nie ma. I chociaż czerwona planeta jest o połowę mniejsza od Ziemi, jej powierzchnia lądowa jest taka sama.

Choć może się to wydawać dziwne, Mars ma znaczne rezerwy wody - około 5 milionów kilometrów sześciennych. Dla przykładu, objętość wody w Morzu Czarnym - 10 razy mniej, 550 000 kilometrów sześciennych. Większość znanych zasobów marsjańskiej wody jest skoncentrowana na czapach polarnych w postaci zamrożonej. Gdyby ten lód został stopiony, byłoby wystarczająco dużo wody, aby utrzymać dużą kolonię przez wiele dziesięcioleci.

Problem polega na tym, że z powodu niskiej temperatury i niskiego ciśnienia woda nie może istnieć w stanie ciekłym. Natychmiast przechodzi ze stanu stałego w gazowy w wyniku sublimacji.

Jak można temu zaradzić? Naukowcy z NASA opracowują sposób na natychmiastowe przekształcenie lodu w parę za pomocą promieniowania mikrofalowego, zebranie go i dalsze w normalnych warunkach (na przykład na stacji przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym) przekształcenie go w fazę ciekłą.

Ale w dłuższej perspektywie mogłoby to rozwiązać problem nie tylko zapasów wody, ale także żywności. W końcu nikt nie zrezygnował z hydroponiki, a eksperymenty wykazały, że w marsjańskiej glebie-regolicie można uprawiać rośliny ze względu na wystarczający poziom pH i mineralizacji. A także - za pomocą elektrolizy można rozłożyć wodę na tlen i wodór jako paliwo do zasilania stacji kolonistów.

Problem 7. Meteoryty

Ziemia jest niezawodnie chroniona przed spadającymi małymi obiektami kosmicznymi, takimi jak meteoryty czy odłamki. Ze względu na gęstą atmosferę spalają się one przed upadkiem i nie stanowią zagrożenia dla ludzkości. Oczywiście istnieją wyjątki, takie jak meteoryt czelabiński. Ale ogólnie rzecz biorąc, nie ma porównania z liczbą upadków meteorytów na powierzchnię Marsa.

Każdego roku na Czerwoną planetę spada do 200 meteorytów ze względu na fakt, że atmosfera Marsa jest dość rozrzedzona, a obiekty kosmiczne nie mają czasu, aby się w niej spalić. Dlatego cała powierzchnia pokryta jest tysiącami kraterów. Jakie jest prawdopodobieństwo, że meteoryt spadnie na osadę kolonistów? Prawdopodobnie nie tak wysokie, jak śmierć od promieniowania, ale jednak.

Jak można to rozwiązać? Jeśli większość stacji kolonistów będzie znajdować się pod powierzchnią (na przykład w celu ochrony przed promieniowaniem i utrzymania temperatury), to meteorytów nie można się obawiać.

Oczywiście można przypomnieć sobie scenariusz filmu „Armageddon” i mieć w pogotowiu okręt wojenny i dzielnego dowódcę-drillera o twarzy Bruce'a Willisa. No, albo zaopatrzyć się w satelity bojowe na orbicie, które będą zmieniać trajektorię asteroid za pomocą laserów. Wygląda jednak na to, że nie to jest najważniejszym problemem w kolonizacji Marsa.

Problem 8. Budownictwo

Atmosfera Marsa jest wyjątkowo nieprzyjazna: promieniowanie kosmiczne, niska temperatura, niezdatny do zamieszkania skład powietrza i tak dalej. Aby ludzie mogli żyć w takich warunkach, konieczne będzie zbudowanie wielu struktur. Od struktur technicznych, które będą wydobywać wodę lub generować energię elektryczną, po kompleksy mieszkalne z grubymi ścianami chroniącymi kolonistów przed GCR.

Sprawa komplikuje się jeszcze bardziej, jeśli miasto ma powstać na głębokości kilku kilometrów. Jak i czym je wykopać? Skąd wziąć materiały budowlane? I tak dalej.

Dla przykładu, łazik Curiosity kosztujący 2,5 miliarda dolarów ważył zaledwie 900 kg. A dostarczenie ogromnej koparki lub materiałów budowlanych ważących dziesiątki ton na odległość 55 milionów kilometrów - zadanie wielokrotnie droższe. Jak dotąd, spośród nowoczesnych rakiet nośnych najpotężniejszą jest Starship - w przyszłości będzie w stanie przetransportować do 150 ton ładunku na Marsa. Ale do budowy takiej skali oczywiście będzie wymagać więcej niż jednego „spaceru”.

Starship firmy SpaceX - na razie najbardziej obiecujący przewoźnik do kolonizacji Marsa
Statek kosmiczny firmy SpaceX - na razie najbardziej obiecujący przewoźnik do kolonizacji Marsa
Jak można to rozwiązać? Najprostszym rozwiązaniem wydaje się być modułowa konstrukcja, taka jak ISS. Jeden lot - powiedzmy, moduł do ekstrakcji wody z ziemi. Kolejny lot - pomieszczenia mieszkalne i osłony przed promieniowaniem. I tak dalej. I najlepiej, aby wszystko było montowane w trybie automatycznym, tak aby koloniści przybyli i od razu osiedlili się wewnątrz miasta, a nie zajmowali się montażem miesiącami w warunkach burz pyłowych i promieniowania kosmicznego.

Innym podejściem jest zminimalizowanie liczby lotów i masy ładunku, wykorzystując do budowy jak najwięcej zasobów marsjańskich. Naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze opracowali sposób na stworzenie nowego rodzaju betonu na bazie regolitu i spoiwa w postaci skrobi (na przykład podczas uprawy ziemniaków). I z dobrą wytrzymałością na ściskanie do 25 MPa. Oczywiście wciąż pozostaje wiele pytań - ale koncepcja „nie zabierania wszystkiego ze sobą” jest dość interesująca.

Problem nr 9. Energia

Bez stabilnych i niezawodnych źródeł energii na Marsie nie ma nic do roboty. W końcu na przykład niezbędna elektroliza wody jest niemożliwa bez elektryczności. Jeśli będziemy polegać wyłącznie na panelach słonecznych, burza pyłowa trwająca miesiąc lub dwa może doprowadzić do szybkiej śmierci kolonistów z pragnienia, zimna lub braku tlenu.

Jak można to rozwiązać? Istnieje kilka sposobów generowania energii na Marsie. Oto tylko kilka z nich:

Energia słoneczna - dobra opcja awaryjna, na której nie powinno się polegać w dużym stopniu ze względu na długie burze pyłowe i ogólnie niskie nasłonecznienie, o którym wspomniano powyżej.

Wiatr - wydaje się, że prędkość wiatru na Marsie może osiągnąć 100 km/h. Dlaczego nie użyć generatorów? Jednak ze względu na bardzo niską gęstość atmosfery wydajność takich instalacji jest niezwykle niska. Chociaż niektórzy naukowcy nie tracą nadziei.

Energia jądrowa (RITEG) - niezawodne, potężne i trwałe źródło energii cieplnej, niezależne od burz pyłowych. Naukowcy NASA opracowali już reaktor Kilopower, który działa na zasadzie silnika Stirlinga i jest znacznie bardziej wydajny niż RITEG. Rozszczepienie U235 generuje ciepło, które jest przenoszone przez rury wypełnione ciekłym sodem. Moc wyjściowa osiąga 10 kW, a żywotność wynosi 10 lat.

Problem 10. Psychologia

Po tych wszystkich problemach ostatnią rzeczą, o której chcemy myśleć, jest stan psychiczny kolonistów. Poważnie, jaki rodzaj samotności lub tęsknoty za domem? O kosmonautach na ISS jakoś nie wspomniano, że którykolwiek z nich był leczony z powodu długotrwałej depresji lub doświadczał trudności psychologicznych.

Ale w rzeczywistości istnieją problemy psychologiczne. Zostały one szczegółowo opisane w artykule naukowym w czasopiśmie Clinical Neuropsychiatry. Na przykład:

Poczucie samotności - konieczność spędzania dużej ilości czasu z obcymi ludźmi w ograniczonej przestrzeni. Musi istnieć wysoka zgodność psychologiczna załogi.

Niepokój spowodowany czynnikami zewnętrznymi - poczucie, że może zabraknąć powietrza, awaria silnika, przerwa w komunikacji lub zachorowanie z powodu wysokich dawek promieniowania. I nic nie można zrobić, aby to naprawić.

Brak prywatności - wiele osób chce być sam na sam ze sobą. W warunkach lotu kosmicznego jest to prawie niemożliwe.

Zakłócenie rytmu dobowego - z powodu nadmiernego światła w modułach, hałasu urządzeń i niskiej grawitacji.

W przypadku kolonizacji Marsa ludzie mogliby być narażeni na taki sam stres i zmęczenie, tylko na większą skalę. Mimo to lot na orbitę okołoziemską lub pobyt na ISS trwa stosunkowo krótko, najwyżej kilka miesięcy. Astronauci wiedzą na pewno, że wrócą na Ziemię. Ale koloniści prawdopodobnie nigdy więcej nie zobaczą swojej rodzinnej planety: kąpać się w oceanie lub leżeć na zielonej trawie, słuchając szumu wiatru. Zgadzam się, wielu ludzi może być przygnębionych taką myślą. Dodatkowy problem - sygnał z Ziemi jest opóźniony o około 20 minut, więc nie można liczyć na szybką pomoc z „centrum”.

Jak można to rozwiązać. NASA planuje poświęcić dużo czasu na przygotowanie psychologiczne. Na przykład, z wyprzedzeniem odtworzyć atmosferę stacji na Marsie w najdrobniejszych szczegółach, umieścić tam grupę przyszłych kolonistów i zobaczyć, jak zachowują się w różnych stresujących sytuacjach.

W rzeczywistości koszt błędu jest ogromny - jeśli ktoś się z kimś pokłóci i, nie daj Boże, okaleczy lub zabije kogoś, nie radząc sobie z emocjami, doprowadzi to całą misję na skraj katastrofy.

Źródło habr.com