Что может помешать нам колонизировать Марс?

Человечество уже давно мечтает вырваться за пределы Земли, полететь на другие планеты и даже поселиться и жить там. Одной из ближайших к нам планет является Марс, но сможем ли мы так легко колонизировать “Красную планету”?

Еще осенью прошлого года известный экспериментатор и гений современности Илон Маск объявил, что его компания намерена отправить первую пилотируемую миссию на Марс в 2024 году, а к 2050 году на Красной планете должна быть создана первая среда обитания человека в виде самодостаточного города. Простыми словами, человечество попытается создать колонию поселенцев, которые будут первопроходцами в покорении Марса. Флот из около тысячи кораблей Starship должен быть использован для перевозки людей и материалов для строительства необходимой инфраструктуры.

На словах все выглядит очень просто и реалистично. Садимся в корабли, высаживаемся через несколько месяцев на Красной планете, и начинаем ее освоение, готовим новые базы для будущих поколений, исследуем планету, и тому подобное. Однако амбициозные планы колонизации Марса будет не так просто осуществить.

Такая попытка может быть очень трудной и опасной. И здесь речь не только о технических аспектах полета, пребывании в анабиозе, высадке на планету, о времени, необходимом для построения даже самих кораблей, или огромных расходах на всю миссию. Дело в том, что нужно понимать, Земля и Марс имеют много общего, но в то же время гораздо больше различий. Это совершенно разные планеты, каждая со своими особенностями. Давайте более подробно попробуем во всем разобраться.

Читайте также: Космос в вашем компьютере. 5 лучших программ по астрономии

Земля и Марс действительно находятся далеко друг от друга

Первый, фундаментальный вопрос, который следует учесть, когда речь идет о перелете на другую планету, в данном случае на Марс, это само путешествие. В нашем случае с Красной планетой это не является ни простым, ни быстрым. В настоящее время самый дальний объект, на который ступала нога человека, наш спутник Луна. Экспедиция к нему стоила человечеству много времени, усилий, требовала много новых решений и технологий, огромных финансовых затрат и даже человеческих жизней. Я понимаю, что человечество изменилось, технологический скачок, который мы осуществили за последние два десятилетия, действительно впечатляет. Но достаточно ли этого?

К тому же, путешествие на Марс будет гораздо длиннее по времени и расстоянию, и это трудно будет осуществить без пребывания человека в анабиозе. При полете астронавтов на Луну введенние в состояние сна не применялось. Это путешествие было гораздо короче и не таким энергозатратным. Также следует учитывать, что Красная планета отдалена от Земли примерно на расстоянии от 56 до 401 млн км. И полет возможен, конечно, не по прямой линии в космосе, а по сложной траектории. Корабль, следующий на Марс, на практике будет преследовать его по орбите, по которой планета вращается вокруг Солнца. То есть, сначала нужно выйти на орбиту Марса, а уже потом или перехватывать его, или догонять, пока точных расчетов никто не делал. Это означает, что само путешествие будет очень долгим.

Конечно, никто не рассматривает возможность путешествия в момент, когда Марс находится дальше всего от Земли, но даже когда удаление наименьшее, это все равно огромное расстояние. Конечно, учитывая то, что Марс одна из ближайших к нам планет, чтобы туда попасть, нужно затратить меньше энергии на единицу массы, чем на любую другую планету Солнечной системы, кроме Венеры. Все равно, путешествие при условии, что оно начнется в наиболее благоприятный период (в окне старта), все равно займет около девяти месяцев. И это при условии использования переходного маневра Гомана, то есть изменение круговой орбиты с применением двух двигателей. Это маневр, который в настоящее время уже используется в беспилотных миссиях на Марс.

Теоретически этот полет можно было бы сократить до шести-семи месяцев, но только при условии, что мы применяем постепенное увеличение энергии и расхода топлива. Дальнейшее сокращение времени полета на Марс ограничивается имеющимися в настоящее время технологиями. Дело в том, что это требует гораздо большего использования энергии на единицу массы, чем возможно с имеющимися в настоящее время химическими ракетными двигателями. Как видите, проблемы в процессе перемещения на Марс начинаются уже в момент выхода на орбиту планеты. И это только вершина айсберга, поскольку приземление на Марс тоже составляет большую сложность.

Как и в случае с беспилотными миссиями, из-за очень разреженной атмосферы, а значит, мизерной аэродинамической устойчивости, и других особенностей атмосферы Красной планеты, решения с использованием парашютов, подушек, состоящих из надутых танков-аэростатов, или сопротивления в виде маневрирующих двигателей, в случае миссий с человеческим экипажем на борту не только терпят неудачу, но и могут оказаться катастрофическими. Следует помнить, что человеческий организм гораздо деликатнее и чувствительнее к перегрузкам, чем электронные и механические устройства, которые до сих пор были отправлены на Марс. Поэтому необходимо построить систему, которая замедлит марсианский десант гораздо более щадящим, но не менее эффективным способом, потому что на борту будут люди. Сложные, трудоемкие и дорогие миссии на Марс – это точно не легкая прогулка, она может быть очень привлекательной, и все же крайне опасной.

246. Here's an example of the difference in the minimum distance & apparent size of Mars from Earth in 2016 vs 2018. #MarsDay17 pic.twitter.com/g0sTPBh46Z

— Dr. Tanya Harrison (@tanyaofmars) July 21, 2017

Подобная же ситуация возникнет, если по каким-то причинам людям нужно будет вернуться с Марса. Понятно, что во время первых пилотируемых миссий на эту планету придется это делать, никто не полетит на другую планету сразу с идеей постоянно жить там. Хотя есть и такие предложения. Но, поскольку инициаторы Марсиады до сих пор не договорились о том, как это должно выглядеть, и как будет проходить процесс колонизации Марса, то такой вариант возможен.

Возвращение с Красной планеты займет, по крайней мере, столько же времени, сколько понадобится для полета к ней. Однако, если вернуться с Луны можно в любое время, пребывание на Марсе должно продолжаться, возможно, годы. Причиной этого является его орбита вокруг Солнца. Чтобы вернуться относительно быстро, то есть, потратив на путешествие снова не менее шести месяцев, а с использованием современных методов, около девяти месяцев, нужно было бы ждать, пока трансферное окно вновь откроется, то есть расстояние до Земли будет наименьшим. К сожалению, ждать некоторое время придется, потому что марсианские сутки, то есть сол, длится почти столько же, как и сутки на Земле, а именно 24 часа, 39 минут и 35,24 секунды, но марсианский год, то есть время полного оборота Марса вокруг Солнца, уже длится 668 солов, или 687 земных суток, что составляет примерно 1,88 земных лет.

Марс – подобен, но и отличается от Земли

На первый взгляд Марс очень похож на Землю. Особенно когда мы движемся в сфере общих вопросов, можно смело утверждать, что в Солнечной системе она лучшее после Луны (а может, и Венеры, но тут мнения разделились) место для жизни. К сожалению, лучшее не означает идеальное, так как Марс, хотя и во многом похож на Землю в космическом масштабе, очень отличается условиями на планете. Сходство между двумя планетами существует лишь в общих чертах. Как уже отмечалось, марсианские сутки очень похожи на земные, а это значит, что человеку, в случае жизни на Марсе, не пришлось бы существенно изменять свой циркадный ритм (разница составляет лишь 40 минут). Марс также имеет наклон оси 25,19 градусов, тогда как угол наклона Земли составляет 23,44 градусов, в результате чего на нем почти те же сезоны года, что и на нашей планете. Однако они почти вдвое длиннее (в среднем в 1,88 раза, поскольку марсианский год больше).

Сходство между Землей и Марсом также касается факта наличия атмосферы и воды, что подтверждается наблюдениями, проведенными NASA Mars Exploration Rover и ESA Mars Express. Однако на этом оно и заканчивается, ведь атмосфера Красной планеты состоит преимущественно из углекислого газа (95,32%), тогда как атмосфера Земли в основном состоит из азота (78,084%) и кислорода (20,946%). Поэтому, очевидно, что в такой атмосфере невозможно дышать, не получая кислород, необходимый нам для жизни. Нам нужны будут специальные средства, или в форме персональных дыхательных аппаратов, таких как скафандры, или других аппаратов, которые производят кислород.

Здесь можно перейти непосредственно к структурам, необходимым для жизни на Марсе, ведь мы говорим именно о жизни на Марсе, то есть на его поверхности или под ней, а не о жизни на орбите, поскольку это совсем другая история.

Марсианская атмосфера требует использования сооружений. Только на Земле возможно выжить (хотя, по современным меркам, довольно неудобно) без укрытия, в условиях же Марса однозначно нужны какие-то здания. Здесь снова возникает проблема снабжения кислородом в этих зданиях. Дома должны работать с оборудованием, которое его производит, потому что никто из тех, кто будет жить на Марсе, не хотел бы проводить остаток своей жизни в скафандре или ином специальном костюме. Они не всегда удобны и пригодны для перемещения даже по ровной поверхности.

Марсианское строительство также должно быть гораздо более прогрессивным, чем то, что мы сейчас используем на Земле. К тому же, нам придется беспокоиться о влиянии атмосферы, состоящей в основном из углекислого газа. Влияние CO2 на материалы, которые нужно будет использовать для строительства, пока тоже не очень изучено. Как себя поведут такие здания при различных погодных условиях на Марсе?

Конструкции марсианских зданий не только должны быть герметичными, как мы уже упоминали, из-за различного состава атмосферы внутри и снаружи, но они также должны выдерживать разницу давления из-за очень разреженной атмосферы этой планеты. Очень хорошая теплоизоляция также будет необходимостью. Марс, по нашим меркам, очень холодная планета. Рекордно низкая  температура на Земле, которая наблюдается в Антарктиде, составляет -89,2 градусов Цельсия, но это повседневность на Красной планете. Так, при наиболее благоприятных условиях летом на дневной стороне воздух прогревается до 20°С, но зимней ночью температура может достигать -125°С, а на полюсах и -170°С. То есть, рекордно низкая температура на Земле для Марса почти жара. Бури там тоже обычное явление.

То есть, атмосфера Марса содержит сюрпризы, но это еще не все. Сила тяжести на Красной планете, составляет лишь около трети силы притяжения Земли. Поэтому, например, 70-килограммовый человек на Марсе весил бы примерно 26 кг (до 40 кг ближе к полюсам). Это, пожалуй, было бы для него большим преимуществом, например, во время повседневной деятельности. Но такой ход событий имеет две стороны. Да, можно сказать, что человек там будет, например, гораздо сильнее, чем на Земле. Он мог бы легко поднимать предметы, которые на нашей планете не смог бы даже сдвинуть. К сожалению, влияние такой низкой гравитации на организм человека в долгосрочной перспективе не до конца изучен. Уже сейчас известно, что уменьшение силы тяжести, среди прочего, вызывает потерю минеральной плотности костной ткани, дистрофию мышц, уменьшение мышечной массы, ухудшение зрения и сердечно-сосудистую атрофию. Что еще нам грозит, пожалуй, узнаем со временем. Будут ли это положительные изменения? Выдержит организм человека ход событий? Вопросов больше, чем ответов, по крайней мере пока.

Например, прежде чем колония сможет самовоспроизводиться, нам следует быть уверенными, что человеческий эмбрион сможет развиться в здорового взрослого человека в условиях марсианской гравитации и с соответствующей радиационной защитой. Возможно, человеческой расе на Марсе придется как-то мутировать, приспособиться к окружающей среде. Неизвестно еще, сможет ли такой вид вообще выжить там. Поскольку речь идет именно о колонизации, то это нужно учитывать. Это гораздо более сложный и спорный вопрос. Возвращаясь к марсианским зданиям – низкая гравитация будет заставлять, по крайней мере частично, использовать зоны, генерирующие уровень притяжения, подобный земному. Хотя на данный момент трудно сказать, будет ли это, например, центрифуга определенного типа или совсем иное решение.

Читайте также: Не Crew Dragon единым: какие корабли отправятся в космос в ближайшие годы

Марс ни от чего нас не защитит

Атмосфера Марса предполагает также и другой, еще более опасный аспект. Из-за низкой плотности она практически не защищает от космических лучей или солнечного ветра. На Земле нас защищает от солнечного ветра также магнитосфера, а Марс имеет гораздо более слабый слой магнитосферы, чем наша планета, поэтому проблема множится. И это еще не все.

Поскольку Марс не имеет достаточно сильного магнитного поля, то в сочетании с уже упомянутым тонким слоем атмосферы возникает глобальная проблема – поверхности Марса достигает гораздо больше ионизирующего излучения, чем на Земле. Только на орбите Марса, согласно расчетам, сделанными зондом Mars Odyssey с помощью приборов MARIE, уровень вредного излучения примерно в 2,5 раза выше, чем на космической станции МКС, вращающейся вокруг Земли. Это означает, что под влиянием этого излучения (на орбите) человек всего за три года испытает опасное приближение к границам безопасности, утвержденным НАСА. И это тоже важно помнить. Пока нет информации, как с этим думают бороться и какие средства использовать.

Взрывы протонов, вызванные солнечными бурями, так называемые солнечные вспышки и выбросы корональной массы, могут быть особенно опасными не только на орбите Марса, но и для колонизаторов, которые будут жить непосредственно на поверхности. Во время особенно сильных порывов космического ветра воздействие может привести к летальному исходу уже через несколько часов.

“Unlike the Earth, Mars has no inner dynamo to create a major global magnetic field. This, however, does not mean that Mars does not have a magnetosphere; simply that it is less extensive than that of the Earth.” pic.twitter.com/GSL5CUb8Xw

— Planet Mars – Humanities Last Hope (@Mars_LastHope) March 30, 2018

Поэтому все конструкции, которые мы бы использовали на Марсе, должны быть не только герметичными, выдерживать перепады давления, быть оснащенными устройствами, которые генерируют кислород, и насосами, поддерживающими адекватное давление внутри, но они также должны эффективно защищать людей, живущих в них, от солнечного ветра и ионизирующего излучения. То есть, они должны быть действительно своеобразными закрытыми микросредами, в которых поддерживаются условия, необходимые для жизни человека. Кроме того, их также надо было бы правильно разместить. Именно поэтому нужно будет заранее тщательно картографировать поверхность Марса, естественные укрытия, температуру, погоду и солнечное излучение.

Уже сейчас перед конструкторами и инженерами стоит целый ряд вызовов и проблем. Тем более, что, видимо, по крайней мере первые марсианские сооружения должны быть построены на Земле и уже потом транспортироваться к Красной планете. Точнее, на Марс должны транспортироваться уже готовые части таких сооружений, укрытий, лабораторий и тому подобного. Такое транспортировки порождают дополнительные расходы, связанные не столько с самими зданиями, но прежде всего с их отправкой на другую планету, то есть мы должны решить еще и финансовую сторону этой огромной проблемы.

Другим вопросом, связанным с атмосферой, магнитосферой и магнитным полем Марса, а точнее с их практическим отсутствием, является защита электроники, необходимой для марсианской миссии, а тем более для колонизации, или, по крайней мере, попытки заселить планету. Во время предыдущих миссий использовалась гораздо менее совершенная электроника, чем та, что есть у каждого из нас сегодня.

Системы, работавшие в зондах, были на технологическом уровне 1990-х годов. Но не только потому, что работа над одной миссией продолжается много лет и конструкция оборудования настолько устаревает за это время, а и потому, что этот тип электроники может выдерживать марсианские условия (в частности уровень радиации) гораздо лучше современных, более совершенных, но также и значительно более чувствительных технологий. Они также намного лучше проверены и отрегулированы, а следовательно, могут гарантировать уровень надежности, необходимый для выполнения миссии. Но для человеческого экипажа оборудование, которое было 20 или 30 лет назад, может быть недостаточно удобным даже для выполнения базовых задач. К тому же, такое оборудование, безусловно, будет иметь слишком малую вычислительную мощность, необходимую для исследования планеты. Не следует забывать, что жизнь на Марсе не ограничится только проживанием там, нужно еще и проводить исследовательскую работу, научные и технологические эксперименты.

Дополнительную, хотя и не полностью изученную угрозу, представляет также сама поверхность Марса. Речь идет о марсианской пыли, частицы которой чрезвычайно мелкие, острые и шершавые. В сочетании со статическим электричеством, которая заставляет ее прилипать практически ко всему, возникает еще одна проблема. Марсианская пыль может быть настоящей проблемой для соединений, например, в костюмах. Лунная пыль, частички которой, кстати, не такие острые, как марсианской, уже приводила к серьезным трудностям лунных миссий “Аполлон”. Например, это вызывало среди прочего ложные показания приборов, засорение аппаратуры, проблемы с контролем температуры некоторых приборов и повреждение уплотнений. Иногда приборы совсем выходили из строя. На поверхности Луны тонны металлолома от таких поврежденных приборов. Их просто оставили на поверхности спутника, так как отремонтировать все это уже невозможно.

Вернемся к поверхности Красной планеты. Песчаные бури, присутствующие на этой планете, также могут стать проблемой для поддержания жизнедеятельности колонизаторов на Марсе. Хотя они случаются редко, но могут охватывать даже всю поверхность Марса. Это может не только блокировать поступление солнечного света, например, в фотоэлектрические установки, может вызвать проблемы с электропитанием, но и также вызывать осложнения со связью.

Сигнал, посланный с Марса на Землю, достигает ее примерно за 3,5 минуты, поэтому ответ на вопрос, заданный при самых благоприятных условиях, будет получен через 7 минут, и то только тогда, когда планеты будут ближе всего друг к другу. Когда же они будут на максимальном расстоянии друг от друга, процесс займет в восемь раз больше времени. Еще хуже будет, когда планеты находятся на противоположных сторонах от Солнца. Тогда общение будет вообще невозможно. Пыльные бури также могут представлять прямую угрозу, например, технике, потому что удары песка на Марсе гораздо опаснее, чем даже самые сильные ветры или ураганы здесь, на Земле.

Жизнь на Марсе – это не только здания

Если мы уже начали говорить об оборудовании, необходимом для работы на Марсе, то возникает вопрос: “А что, если такое оборудование сломается?». Здесь мы снова попадаем в область широко понятной проблемы логистики и снабжения. Чтобы эффективно функционировать на Марсе, вам нужно будет взять с собой запасные части ко всему, что будет доставляться на Марс, а оборудования будет достаточно много.

А еще нужно взять достаточные запасы еды. Даже для самой короткой по продолжительности миссии, то есть около 2 лет, на практике невозможно забрать с Земли достаночные запасы еды и воды. Это означает еще значительное увеличение стоимости такого путешествия. Достаточно подсчитать, сколько каждый из нас потребляет пищи за один день, умножить на 2 года и… добавить сюда еще и время в пути, то есть еще полтора года, ведь участники должны что-то есть и пить и во время полета.

Наконец, это число нужно снова умножить еще и на количество членов экипажа. На практике марсианская миссия не может выполняться в одиночку по той простой причине, что необходимо выполнять задачи, которые требуют специальных знаний или навыков. Один человек не может быть экспертом во всем. Невозможно быть одновременно высококвалифицированным пилотом, астрофизиком, астробиологом, специалистом по строительству и т. п. Один человек не может выполнить такую ​​миссию также и по психологическим причинам. 3,5 года одиночества в космосе и на чужой планете серьезно повлияли бы на психику даже самого стойкого человека. Поэтому запасы, которых было бы достаточно для успешной марсианской миссии, даже короткой, нельзя просто взять с собой с Земли.

Если еду и воду не удастся упаковать в корабль, на котором мы будем лететь на Марс (и это одно лишь создает нам проблемы на данный момент, хотя проект «Starship», который осуществляет SpaceX, порождает определенные надежды на их решение), тогда все это колонизаторы должны будут каким-то образом производить на месте. Удивительно, но в этом может помочь состав марсианской атмосферы. Хотя это только предположение, но может сработать. Дело в том, что, как я писал выше, атмосфера Марса состоит в основном из углекислого газа, а парциальное давление на самой поверхности планеты, то есть там, где растут растения, в 52 раза больше, чем на Земле, что дает настоящую надежду на их успешное выращивание.

Такая же ситуация и с водой. По общему признанию, она есть на Марсе, но пока обнаружили лишь ее присутствие. На практике вода может быть недоступной для участников марсианской миссии, поскольку зажата в скалах. Да, современные знания и решения позволяют восстанавливать воду, но ее, видимо, будет недостаточно для проживания на Марсе. И надо иметь в виду, что вода должна находиться там в постоянном, замкнутом цикле, охватывая все аспекты марсианской жизни. Просто так ее бездумно расходовать не будет иметь права никто, поскольку это грозило бы самому процессу выживания колонизаторов. Поэтому единственным долгосрочным решением является эффективный метод извлечения воды, которая уже есть на Марсе, и ее соответствующее приспособление к потребностям колонизаторов и обслуживанию техники.

Подобный же вопрос возникает, когда речь идет о топливе. Если мы хотим постоянно курсировать между Землей и Марсом, то должны научиться добывать необходимое горючее прямо на месте. Это сэкономило бы средства на саму миссию и повысило шансы на возвращение на Землю в случае необходимости. И по Марсу надо как-то передвигаться при освоении планеты и проживании на ней. Транспортировка топлива с Земли достаточно дорогое удовольствие. Это, опять же, увеличение стоимости всей миссии, поскольку топлива нужно было бы взять примерно с двойным запасом. Однако в компании SpaceX уже есть идеи по решению этого вопроса и одновременно по защите от космического излучения. Ученые компании считают, что жидкий водород может обеспечить превосходную защиту. К тому же в соединении с углекислым газом, полученным из атмосферы Марса, он может также служить топливом для возвращения с Красной планеты.

Эти же возможности надо использовать также для производства и хранения электроэнергии, необходимой для функционирования даже простейшей марсианской колонии, потому что точно невозможно будет сосредоточиться на одном источнике, например, на солнечной энергии, поскольку, прежде всего, на Марсе значительно меньше энергии от Солнца. Так, фотоэлектрические элементы на Земле имеют отношение мощности к весу примерно 40 Вт/кг, тогда как там это примерно вдвое меньше, всего около 17 Вт/кг. Во-вторых, возвращение может затянуться надолго, например, из-за уже упомянутых песчаных бурь. На Марсе необходимо было бы параллельно использовать радиоизотопные термоэлектрические генераторы, марсианский эквивалент геотермальной энергии Земли и энергию ветра. Дело в том, что во время песчаных бурь скорость ветра увеличивается там примерно до 30 м/с.

На самом деле, перечень вопросов, сомнений и трудностей, связанных с жизнью на Марсе, можно было бы рассматривать еще долго. И с каждым новым открытием о Марсе вопросов становится значительно больше, чем ответов. В этом материале мы, пожалуй, коснулись лишь верхушки айсберга. Хорошая новость заключается в том, что ученые всего мира работают не только над тем, чтобы ответить на вопросы, но и найти конкретные решения, например, связанные с технологиями получения воды или выращивания растений на Марсе. К тому же, первые марсианские поселенцы будут обречены на веганскую диету, поскольку мы не берем с собой никаких животных. Хотя возможно, что вопрос еды будет решаться на основании опыта астронавтов на МКС. Еда в тюбиках на некоторое время может решить эту проблему.

Терраформирование Марса может быть ответом на вопросы, но в настоящее время еще только теоретически. Ученые сейчас почти единодушно сходятся во мнении, что этот процесс надо начинать с повышения температуры планеты, что необходимо для получения более высокого атмосферного давления и жидкой воды. Парниковые газы, которые попали бы в ледяные шапки на полюсах Марса, могут в этом помочь, но практика терраформирования еще не была тщательно спланирована, а от теории к практике еще очень долгий путь.

Даже SpaceX, известный радикальными идеями, по которым в некоторых научных кругах есть серьезные сомнения, терраформинг называет научно-фантастическими технологиями. Но попробовать можно. Возможно, для того, чтобы терраформировать Марс, не нужно будет сначала выполнять пилотируемые миссии, а заменять их, например, автономными устройствами, которые будут выполнять это для нас. Люди смогут отправиться на планету, подготовленную до их прибытия. Однако это, по крайней мере в настоящее время, только размытые предположения, хотя, без сомнения, такая идея уже проросла в сознании, по крайней мере, какого-то количества людей.

Так или иначе, идея полета и последующей колонизации Марса уже покорила сердца и умы многих ученых, инженеров, исследователей. Работа кипит, эксперименты продолжаются, планы разрабатываются, освоение поверхности Красной планеты продолжается. Новые открытия происходят каждый день. Кто знает, возможно, то, что сейчас кажется научной фантастикой, через несколько лет станет реальностью. А сам полет на Марс будет обычным явлением. Надо только верить и не переставать мечтать, экспериментировать и шаг за шагом идти к цели.