Какво може да ни попречи да колонизираме Марс?

Човечеството отдавна мечтае да се измъкне от Земята, да лети до други планети и дори да се засели и да живее там. Една от най-близките до нас планети е Марс, но ще успеем ли да колонизираме "Червената планета" толкова лесно?

Миналата есен известният експериментатор и модерен гений Илон Мъск обяви, че компанията му възнамерява да изпрати първата пилотирана мисия до Марс през 2024 г., а до 2050 г. на Червената планета трябва да бъде създадено първото човешко местообитание под формата на самодостатъчен град. . С прости думи човечеството ще се опита да създаде колония от заселници, които ще бъдат пионери в завладяването на Марс. Флот от около хиляда кораба Starship трябва да се използва за превоз на хора и материали за изграждане на необходимата инфраструктура.

С думи всичко изглежда много просто и реалистично. Качваме се на кораб, кацаме след няколко месеца на "Червената планета" и започваме нейното развитие, подготвяме нови бази за бъдещите поколения, изследваме планетата и т.н. Амбициозните планове за колонизиране на Марс обаче няма да бъдат толкова лесни за изпълнение.

Такъв опит може да бъде много труден и опасен. И тук говорим не само за техническите аспекти на полета, престоя в анабиоза, кацането на планетата, за времето, необходимо за построяването дори на самите кораби, или огромните разходи за цялата мисия. Въпросът е да се разбере, че Земята и Марс имат много общи неща, но в същото време имат много повече разлики. Това са напълно различни планети, всяка със свои собствени характеристики. Нека се опитаме да разберем всичко по-подробно.

Прочетете също: Място на вашия компютър. 5 най-добри приложения за астрономия

Земята и Марс са наистина далеч един от друг

Първият, основен въпрос, който трябва да се вземе предвид, когато става дума за полет до друга планета, в случая до Марс, е самото пътуване. В нашия случай с Червената планета това не е нито просто, нито бързо. В момента най-далечният обект, на който човек е стъпвал, е нашият спътник Луната. Експедицията до него коства на човечеството много време, работа, изисква много нови решения и технологии, огромни финансови разходи и дори човешки животи. Разбирам, че човечеството се е променило, технологичният скок, който направихме през последните две десетилетия, е наистина невероятен. Но достатъчно ли е това?

Освен това пътуването до Марс ще бъде много по-дълго от гледна точка на време и разстояние и ще бъде трудно да се направи без човек в анабиоза. По време на полета до Луната астронавтите не са били приспивани. Това пътуване беше много по-кратко и по-малко енергоемко. Трябва също така да се има предвид, че Червената планета е приблизително на разстояние от 56 до 401 милиона километра от Земята. И полетът е възможен, разбира се, не по права линия директно в космоса, а по сложна траектория. Кораб, пътуващ за Марс, на практика ще го следва в орбитата, която планетата обикаля около Слънцето. Тоест, първо трябва да влезете в орбитата на Марс и след това или да го прихванете, или да наваксате, досега никой не е правил точни изчисления. Това означава, че самото пътуване ще бъде много дълго.

Разбира се, никой не мисли да пътува, когато Марс е най-далеч от Земята, но дори когато разстоянието е най-малко, то пак е огромно разстояние. Разбира се, като се има предвид, че Марс е една от най-близките планети до нас, отнема по-малко енергия на единица маса, за да стигне до там, отколкото всяка друга планета в Слънчевата система, с изключение на Венера. Все пак пътуването, при условие че започне в най-благоприятния период (в началния прозорец), ще продължи около девет месеца. И това зависи от използването на преходната маневра на Хоман, т.е. промяна на кръговата орбита с помощта на два двигателя. Това е маневра, която в момента вече се използва в безпилотни мисии до Марс.

Теоретично този полет може да бъде съкратен до шест или седем месеца, но само ако прилагаме постепенно увеличаване на разхода на енергия и гориво. По-нататъшното намаляване на времето за полет до Марс е ограничено от наличните в момента технологии. Факт е, че той изисква много повече енергия на единица маса, отколкото е възможно с наличните днес химически ракетни двигатели. Както можете да видите, проблемите в процеса на придвижване към Марс започват още в момента на навлизане в орбитата на планетата. И това е само върхът на айсберга, защото кацането на Марс също е много трудно.

Както в случая на безпилотни мисии, поради много разредената атмосфера и следователно лошата аеродинамична стабилност и други характеристики на атмосферата на "Червената планета", решения, използващи парашути, възглавници, състоящи се от надути балонни резервоари, или опора във формата на маневрени двигатели, в случай на мисии с човешки екипаж на борда, те не само се провалят, но могат да бъдат и катастрофални. Трябва да се помни, че човешкото тяло е много по-деликатно и по-чувствително към претоварване от електронните и механични устройства, които досега са изпращани на Марс. Затова е необходимо да се изгради система, която да забави марсианското кацане по много по-щадящ, но не по-малко ефективен начин, защото на борда ще има хора. Сложните, отнемащи време и скъпи мисии до Марс определено не са лесна разходка, могат да бъдат много привлекателни, но и изключително опасни.

246. Ето пример за разликата в минималното разстояние и видимия размер на Марс от Земята през 2016 г. спрямо 2018 г. #Марсов ден17 снимкаtwitter.com/g0sTPBh46Z

— д-р Таня Харисън (@tanyaofmars) Юли 21, 2017

Подобна ситуация ще възникне, ако по някаква причина хората трябва да се върнат от Марс. Ясно е, че по време на първите пилотирани мисии до тази планета ще трябва да се направи, никой няма да лети на друга планета веднага с идеята да живее там постоянно. Въпреки че има такива предложения. Но тъй като инициаторите на Marsiad все още не са постигнали съгласие как трябва да изглежда и как ще протече процесът на колонизация на Марс, този вариант е вероятен.

Връщането от Червената планета ще отнеме поне толкова време, колкото и полета до там. Въпреки това, ако е възможно да се върне от Луната по всяко време, престоят на Марс трябва да продължи, може би години. Причината за това е орбитата му около Слънцето. За да се върнете сравнително бързо, т.е. да прекарате отново поне шест месеца в пътуването и с помощта на съвременни методи, около девет месеца, ще е необходимо да изчакате, докато прозорецът за трансфер се отвори отново, тоест разстоянието до Земята ще бъде най-малък. За съжаление ще трябва да почакате известно време, тъй като марсианският ден, т.е. времето, през което Марс обикаля около Слънцето, вече е продължило 24 сол, или 39 земни дни, което е приблизително 35,24 земни години.

Прочетете също: Пет начина, по които изкуственият интелект може да ни помогне в изследването на космоса

Марс е подобен, но и различен от Земята

На пръв поглед Марс много прилича на Земята. Особено когато се движим в полето на общи въпроси, спокойно може да се каже, че в Слънчевата система е най-доброто място за живот след Луната (и може би Венера, но тук мненията са разделени). За съжаление най-доброто не означава перфектно, защото Марс, макар и подобен на Земята в космически мащаб, е много различна планета. Приликата между двете планети съществува само в общи черти. Както вече споменахме, марсианският ден е много подобен на земния, което означава, че човек, живеещ на Марс, не би трябвало да променя значително своя циркаден ритъм (разликата е само 40 минути). Марс също има наклон от 25,19 градуса, докато наклонът на Земята е 23,44 градуса, което води до почти същите сезони като нашата планета. Те обаче са почти два пъти по-дълги (средно 1,88 пъти, тъй като марсианската година е по-дълга).

Приликите между Земята и Марс се простират и до наличието на атмосфера и вода, както се потвърждава от наблюденията, направени от Mars Exploration Rover на NASA и Mars Express на ESA. Това обаче свършва дотук, тъй като атмосферата на Червената планета се състои основно от въглероден диоксид (95,32%), докато атмосферата на Земята се състои главно от азот (78,084%) и кислород (20,946%). Така че е очевидно, че в такава атмосфера е невъзможно да се диша, без да се получи кислородът, който ни е необходим за живота. Ще имаме нужда от специално оборудване, независимо дали под формата на лични дихателни апарати като скафандри или други устройства, които произвеждат кислород.

Тук можем да преминем директно към структурите, необходими за живот на Марс, защото говорим за живот на Марс, тоест на повърхността или под нея, а не за живот в орбита, защото това е съвсем друга история.

Марсианската атмосфера изисква използването на обитаеми структури. Само на Земята е възможно да оцелееш (въпреки че е доста неудобно по съвременните стандарти) без подслон, но в условията на Марс определено се нуждаеш от някакви сгради. Тук отново възниква проблемът с доставянето на кислород в тези сгради. Къщите ще трябва да работят с оборудването, което ги прави, защото никой, живеещ на Марс, не би искал да прекара остатъка от живота си в скафандър или друг специален костюм. Те не винаги са удобни и подходящи за движение дори по равна повърхност.

Марсианското строителство също би трябвало да бъде много по-напреднало от това, което в момента използваме на Земята. Освен това ще трябва да се тревожим за влиянието на атмосферата, която се състои главно от въглероден диоксид. Все още не е добре проучено и влиянието на CO2 върху материалите, които ще бъдат използвани за строителството. Как ще се държат такива сгради при различни метеорологични условия на Марс?

Конструкциите на марсианските сгради не само трябва да са херметични, както вече споменахме, поради различния състав на атмосферата вътре и отвън, но също така трябва да издържат на разликата в налягането поради много разредената атмосфера на тази планета. Много добра топлоизолация също е необходимост. Марс, по нашите стандарти, е изключително студена планета. Рекордът на Земята за ниски температури, тоест -89,2 градуса по Целзий, който се наблюдава в Антарктида, е същият като ежедневието на "Червената планета". Така че, при най-благоприятни условия, въздухът се затопля до 20 ° C през деня през лятото, но температурата може да достигне -125 ° C през зимата през нощта и -170 ° C на полюсите. Тоест рекордно ниската температура на Земята за Марс е почти топлина. Там бурите също са често явление.

Тоест атмосферата на Марс има изненади, но това не е всичко. Гравитацията на Червената планета е само около една трета от гравитацията на Земята. Следователно, например, 70-килограмов човек на Марс би тежал приблизително 26 кг (до 40 кг по-близо до полюсите). Това вероятно би било голямо предимство за нея, например в ежедневните дейности. Но такъв ход на събитията има две страни. Да, можем да кажем, че човек там би бил например много по-силен, отколкото на Земята. Тя можеше лесно да вдига предмети, които на нашата планета дори не можеше да премести. За съжаление, дългосрочното въздействие на такава ниска гравитация върху човешкото тяло не е напълно проучено. Вече е известно, че намалената гравитация причинява, наред с други неща, загуба на костна минерална плътност, мускулна дистрофия, намалена мускулна маса, нарушено зрение и сърдечно-съдова атрофия. Какво още ни заплашва, сигурно ще разберем след време. Ще бъдат ли това положителни промени? Може ли човешкото тяло да издържи на такъв ход на събитията? Има повече въпроси, отколкото отговори, поне засега.

Например, преди една колония да може да се самовъзпроизвежда, трябва да сме сигурни, че човешкият ембрион може да се развие в здрав възрастен под действието на марсианската гравитация и с подходяща радиационна защита. Може би човешката раса на Марс ще трябва по някакъв начин да мутира, да се адаптира към околната среда. Все още не е известно дали такъв вид изобщо може да оцелее там. Тъй като говорим за колонизация, това трябва да се вземе предвид. Това е много по-сложен и спорен въпрос. Връщайки се към марсианските сгради, ниската гравитация ще наложи, поне отчасти, използването на зони, които генерират нива на гравитация, подобни на земните. Въпреки че в момента е трудно да се каже дали ще бъде например центрофуга от някакъв тип или съвсем различно решение.

Прочетете също: Crew Dragon не е единственият: Какви кораби ще отидат в космоса през следващите години

Марс няма да ни защити от нищо

Атмосферата на Марс има и втори, още по-опасен аспект. Поради ниската си плътност, той практически не предпазва от космически лъчи или слънчев вятър. На Земята магнитосферата също ни предпазва от слънчевия вятър, а Марс има много по-слаб магнитосферен слой от нашата планета, така че проблемът се умножава. И това не е всичко.

Тъй като Марс няма достатъчно силно магнитно поле, в комбинация със споменатия вече тънък слой на атмосферата, възниква глобален проблем – до повърхността на Марс достига много повече йонизираща радиация, отколкото на Земята. Само в орбитата на Марс, според изчисленията, направени от сондата Mars Odyssey с помощта на инструменти MARIE, нивото на вредното лъчение е около 2,5 пъти по-високо, отколкото на космическата станция МКС, която обикаля около Земята. Това означава, че под въздействието на тази радиация (само в орбита) човек само за три години ще изпита опасно приближаване до границите на безопасност, одобрени от НАСА. И това също е важно да запомните. Засега няма информация как да се справим и какви средства да използваме.

Протонните експлозии, причинени от слънчеви бури, така наречените слънчеви изригвания и изхвърляне на коронална маса, могат да бъдат особено опасни не само в орбитата на Марс, но и за самите колонисти, които ще живеят директно на повърхността. При особено силни пориви на космическия вятър излагането може да бъде фатално само след няколко часа.

„За разлика от Земята, Марс няма вътрешно динамо, което да създаде голямо глобално магнитно поле. Това обаче не означава, че Марс няма магнитосфера; просто е по-малко обширна от тази на Земята. снимкаtwitter.com/GSL5CUb8Xw

— Планета Марс – Хуманитарни науки Последна надежда (@Mars_LastHope) Март 30, 2018

Следователно всички структури, които ще използваме на Марс, не само ще трябва да бъдат херметични, да издържат на падане на налягането, да бъдат оборудвани с устройства за генериране на кислород и помпи за поддържане на адекватно налягане вътре, но също така ще трябва ефективно да защитават хората, които живеят там. в тях, от слънчевия вятър и йонизиращата радиация. Тоест, те трябва да бъдат наистина уникални затворени микросреди, в които се поддържат условията, необходими за човешки живот. Освен това те също трябва да бъдат поставени правилно. Ето защо ще е необходимо предварително внимателно да се картографират повърхността на Марс, естествените убежища, температурата, времето и слънчевата светлина.

Дизайнерите и инженерите вече са изправени пред редица предизвикателства и проблеми. Особено след като, очевидно, поне първите марсиански структури трябва да бъдат построени на Земята и едва след това да бъдат транспортирани до Червената планета. По-точно на Марс трябва да бъдат транспортирани готови части от такива конструкции, убежища, лаборатории и т.н. Подобен транспорт генерира допълнителни разходи, свързани не толкова със самите сгради, а най-вече с транспортирането им до друга планета, тоест трябва да решим и финансовата страна на този огромен проблем.

Друг проблем, свързан с атмосферата, магнитосферата и магнитното поле на Марс, или по-скоро тяхното практическо отсъствие, е защитата на електрониката, необходима за мисия на Марс, още по-малко за колонизация или поне опити за обитаване на планетата. По-ранните мисии използваха много по-малко сложна електроника от тази, която всички имаме днес.

Системите, които работеха в сондите, бяха на технологично ниво от 1990-те години. Но не защото работата по една мисия продължава много години и дизайнът на оборудването остарява толкова много през това време, а защото този тип електроника може да издържи на марсианските условия (по-специално на нивото на радиация) много по-добре от съвременните, по-напреднали , но и много по-чувствителни технологии. Те също са много по-добре тествани и настроени и следователно могат да гарантират нивото на надеждност, необходимо за изпълнение на мисията. Но за човешкия екипаж оборудването от преди 20 или 30 години може да не е достатъчно удобно дори за основни задачи. Освен това такова оборудване със сигурност би имало твърде малко изчислителна мощност, необходима за изследване на планетата. Не трябва да се забравя, че животът на Марс няма да се ограничи само до живеенето там, необходимо е също така да се провеждат изследователска работа, научни и технологични експерименти.

Допълнителна, макар и не напълно проучена, заплаха представлява и самата повърхност на Марс. Става дума за марсиански прах, чиито частици са изключително малки, остри и груби. В съчетание със статичното електричество, което го кара да залепва за почти всичко, има друг проблем. Марсианският прах може да бъде истински проблем, например, за връзки в костюми. Лунният прах, който между другото не е толкова остър като марсианския, вече доведе до сериозни трудности за лунните мисии на Аполо. Например, това е причинило, наред с други неща, грешни показания на инструментите, запушване на инструментите, проблеми с контрола на температурата на някои инструменти и повредени уплътнения. Понякога устройствата напълно се провалят. На повърхността на Луната има тонове метален скрап от такива повредени устройства. Те просто бяха оставени на повърхността на сателита, защото вече не е възможно да се ремонтира всичко това.

Да се ​​върнем на повърхността на Червената планета. Пясъчните бури на тази планета също могат да се превърнат в проблем за поддържането на живота на самите колонисти на Марс. Въпреки че са редки, те дори могат да покрият цялата повърхност на Марс. Това може не само да блокира слънчевата светлина, например за фотоволтаични инсталации, което може да причини проблеми с електрозахранването, но също така ще доведе до комуникационни усложнения.

Сигналът, изпратен от Марс до Земята, достига за около 3,5 минути, така че отговорът на зададен въпрос при най-благоприятни условия ще бъде получен след 7 минути и то само когато планетите са най-близо една до друга. Когато са на максимално разстояние един от друг, процесът ще отнеме осем пъти повече време. Ще бъде още по-лошо, когато планетите са от противоположните страни на Слънцето. Тогава комуникацията изобщо ще бъде невъзможна. Прашните бури също могат да представляват пряка заплаха за машините, например, защото пясъчните струи на Марс са много по-опасни дори от най-силните ветрове или урагани тук на Земята.

Прочетете също: Украйна се готви за изстрелване и орбитална работа на космическия кораб Сич-2-1

Животът на Марс не е само сгради

Ако вече сме започнали да говорим за оборудването, необходимо за функционирането на Марс, възниква въпросът: "Ами ако такова оборудване се повреди?". Тук отново навлизаме в областта на широко разбираната логистика и доставки. За да работите ефективно на Марс, ще трябва да носите резервни части за всичко, което ще бъде изпратено до Марс, и ще има доста оборудване.

И вие също трябва да вземете достатъчно количество храна. Дори при най-кратката продължителност на мисията, тоест около 2 години, е практически невъзможно да се вземат запаси от храна и вода от Земята за толкова дълъг период. Това означава значително увеличение на цената на такова пътуване. Достатъчно е да изчислим колко храна приема всеки от нас за един ден, да го умножим по 2 години и... да добавим към това времето за пътуване, тоест още година и половина, защото участниците трябва да ядат и пият нещо и през Полетът.

Накрая това число трябва да се умножи отново по броя на членовете на екипажа. На практика една мисия на Марс не може да бъде осъществена сама по простата причина, че има задачи, които изискват специални знания или умения. Един човек не може да бъде експерт във всичко. Невъзможно е едновременно да си висококвалифициран пилот, астрофизик, астробиолог, строителен специалист и т.н. Един човек не може да изпълни такава мисия и по психологически причини. 3,5 години сам в космоса и на чужда планета биха повлияли сериозно на психиката и на най-издръжливия човек. Следователно доставките, които биха били достатъчни, за да гарантират успеха на марсианска мисия, дори и най-кратката, не могат просто да бъдат взети със себе си от Земята.

Ако храната и водата не могат да бъдат опаковани в кораба, на който ще летим до Марс (и само това ни създава проблеми в момента, въпреки че проектът "Starship“, която се извършва от SpaceX, дава определени надежди за нейното решение), тогава всичко това ще трябва да бъде произведено по някакъв начин на местно ниво от колонизаторите. Изненадващо, съставът на марсианската атмосфера може да помогне за това. Въпреки че това е само предположение, може да работи. Работата е там, че както писах по-горе, атмосферата на Марс се състои главно от въглероден диоксид, а парциалното налягане на самата повърхност на планетата, тоест там, където растат растенията, е 52 пъти по-голямо, отколкото на Земята, което дава реално надежда за успешното им отглеждане.

Същото е положението и с водата. Общоприето е, че той съществува на Марс, но досега е установено само присъствието му. На практика водата може да не е достъпна за участниците в мисията на Марс, защото е хваната в скалите. Да, съвременните знания и решения позволяват възстановяването на водата, но тя вероятно няма да е достатъчна за живот на Марс. Да, трябва да се има предвид, че водата трябва да е там в постоянен, затворен цикъл, обхващащ всички аспекти на живота на Марс. Просто така никой няма да има право да го харчи безсмислено, тъй като това би застрашило самия процес на оцеляване на колонизаторите. Следователно единственото дългосрочно решение е ефективен метод за получаване на вода, която вече е на Марс, и подходящото й адаптиране към нуждите на колонистите и поддръжката на оборудването.

Подобен въпрос възниква, когато става въпрос за гориво. Ако искаме постоянно да пътуваме между Земята и Марс, тогава трябва да се научим да получаваме необходимото гориво на място. Това би спестило пари за самата мисия и би увеличило шансовете за връщане на Земята, ако е необходимо. Да, вие също трябва да се движите около Марс по някакъв начин по време на развитието на планетата и живота на нея. Транспортирането на гориво от Земята е доста скъпо удоволствие. Това отново увеличава цената на цялата мисия, тъй като ще трябва да се вземе приблизително двойно повече гориво. Компанията SpaceX обаче вече има идеи за решаването на този проблем и в същото време за защита от космическата радиация. Учените от компанията вярват, че течният водород може да осигури отлична защита. Освен това, в комбинация с въглероден диоксид, получен от атмосферата на Марс, той може да служи и като гориво за връщане от Червената планета.

Същите възможности трябва да се използват и за производството и съхранението на електроенергия, което е необходимо за функционирането дори на най-простата марсианска колония, защото определено ще бъде невъзможно да се съсредоточим върху един източник, например слънчева енергия, тъй като, първо всичко, на Марс има много по-малко енергия от Слънцето. Така фотоволтаичните клетки на Земята имат съотношение мощност/тегло от около 40 W/kg, докато там то е около половината от това, само около 17 W/kg. Второ, връщането може да отнеме много време, например поради вече споменатите пясъчни бури. На Марс би било необходимо да се използват радиоизотопни термоелектрически генератори, марсианския еквивалент на геотермалната енергия на Земята, и успоредно вятърна енергия. Факт е, че по време на пясъчни бури скоростта на вятъра се увеличава до приблизително 30 m/s.

Всъщност списъкът от въпроси, съмнения и препятствия, свързани с живота на Марс, може да се разглежда дълго време. С всяко ново откритие за Марс те стават все повече, отколкото отговори. В този материал вероятно докоснахме само върха на айсберга. Добрата новина е, че учени от цял ​​свят работят не само за да отговорят на тях, но и за решаването на конкретни въпроси. Такъв е случаят например в случай на получаване на вода или отглеждане на растения на Марс. В допълнение, първите марсиански заселници ще бъдат обречени на веганска диета, тъй като ние не носим никакви животни с нас. Въпреки че е възможно въпросът с храната да бъде решен въз основа на опита на астронавтите на МКС. Храненето със сонда може да реши този проблем за известно време.

Тераформирането на Марс може да е отговорът на някои въпроси, но в момента това все още е само теоретично. Сега учените почти единодушно са съгласни, че този процес трябва да започне с повишаване на температурата на планетата, за да се получи по-високо атмосферно налягане и течна вода. Парниковите газове, уловени в ледените шапки на полюсите на Марс, може да помогнат, но практиката на тераформиране не е била внимателно планирана и все още има дълъг път от теория към практика.

Дори SpaceX, известна с радикални идеи, за които има сериозни съмнения в някои научни среди, нарича тераформирането научнофантастична технология. Но можете да опитате. Може би, за да тераформираме Марс, няма да е необходимо първо да извършваме пилотирани мисии, а да ги заменим с например автономни устройства, които да го правят вместо нас. Хората ще могат да отидат на планета, подготвена за пристигането им. Това обаче, поне за момента, са само бегли спекулации, въпреки че без съмнение подобна идея вече е покълнала в главите на поне известен брой хора.

Също интересно:

• Астрономите идентифицираха най-отдалечения известен обект в Слънчевата система
• Учените уверяват, че петото измерение на Вселената съществува
• Учени откриха по-добро място за кацане на хора на Марс

По един или друг начин идеята за полет и последваща колонизация на Марс вече е завладяла сърцата и умовете на много учени, инженери и изследователи. Работата е в разгара си, експериментите продължават, плановете се разработват и изследването на повърхността на Червената планета продължава. Всеки ден се правят нови открития. Кой знае, може би това, което сега изглежда като научна фантастика, ще стане реалност след няколко години. А самият полет до Марс ще е обичайно явление. Просто трябва да вярвате и да не спирате да мечтаете, да експериментирате и стъпка по стъпка да вървите към целта.