Квинтильоны долларов: в NASA подсчитали, сколько будет стоить колонизация Марса

Разговоры о колонизации Марса ведутся уже не первое десятилетие. Главным вопросом остается создание пригодной для жизни людей атмосферы. Для этого предлагается использовать то ядерные взрывы, то аэрозоли. Ведущий научный сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA Вячеслав Турышев задумался над тем, что на самом деле потребуется для превращения Марса во вторую Землю и сколько это будет стоить. Своими выводами он поделился с RTVI.

Что нужно для терраформирования Марса

Темы ваших последних визионерских работ — солнечный парус, телескоп на солнечной гравитационной линзе, обитаемость экзопланет. Как возникла тема терраформирования Марса?

Месяц назад мне написал Эдвин Кляйн, сотрудник Чикагского университета. Его интересовал вполне конкретный вопрос: можно ли использовать солнечные паруса как большие орбитальные зеркала, чтобы направлять свет на поверхность Марса. Для меня это долгое время не была профильная тема, и изначально я относился к ней довольно скептически.

Но именно поэтому она и оказалась интересной. Когда вопрос ставится всерьез, его уже нельзя обсуждать в жанре красивой идеи. Нужно разложить задачу на инженерные ограничения: сколько требуется массы, энергии, радиационного воздействия, промышленной производительности и как затем удерживать полученное состояние.

Собственно, статья и выросла из попытки спокойно, без публицистики, посчитать эти масштабы.

Но ведь нельзя сказать, что таких исследований не было раньше, в том числе с отрицательными выводами, в том числе в NASA?

Конечно, такие работы были. Но чаще всего они рассматривали отдельные механизмы: можно ли высвободить CO2, помогут ли аэрозоли, зеркала, суперпарниковые газы. Гораздо реже задача рассматривалась как единая система, где одновременно должны сходиться запасы вещества, тепловой режим, промышленная мощность и долговременная устойчивость атмосферы.

Какие критерии возможности терраформирования Марса вы ввели?

Если считать и текущее состояние Марса, получается пять состояний — от E0 (текущее состояние) до E4 (состояние, похожее на то, что у нас есть на Земле). Но если говорить именно о целевых шагах преобразования, то их четыре.

Первый уровень, E1, — это метастабильность воды: давление должно быть выше тройной точки воды, то есть выше 611.657 Па. Это минимальный порог, но он еще не означает, что на поверхности появится устойчивая жидкая вода.

Второй уровень, E2, — защищенное земледелие и региональное паратерраформирование. Речь идет не о всей планете, а о локальных объемах, куполах или тепличных системах, где можно работать при давлениях порядка 10 кПа внутри сооружений.

Третий уровень, E3, — давление не ниже 6.27 кПа, то есть предел Армстронга. Это порог, ниже которого при температуре тела начинают закипать жидкости в открытых тканях. Но и это еще не «нормальная» среда для человека: остаются гипоксия, токсичность CO2 и требования к составу атмосферы.

Наконец, четвертый уровень, E4, — дышащая, близкая к земной атмосфера. В качестве удобного ориентира можно взять парциальное давление кислорода около 21 кПа и буферный газ — азот или аргон — так, чтобы суммарное давление было порядка 50—100 кПа. Именно этот уровень оказывается самым тяжелым по массе вещества и по энергии.

Пригодный для дыхания воздух

Вот про массу и хочется спросить. Сколько чего там есть и сколько не хватает для атмосферы?

На Марсе полезно помнить простое соотношение: каждый 1 мбар (100 Па) среднего поверхностного давления соответствует примерно 3.89 × 10¹⁵ кг атмосферы. Сегодняшняя атмосфера Марса — это около 2.37 × 10¹⁶ кг, то есть примерно 6.1 мбар (610 Па).

Если говорить о пороге E3, где уже нет эффекта кипения жидкостей в тканях, то нужно 6.27 кПа, а это уже 2.44 × 10¹⁷ кг атмосферы — примерно в десять раз больше нынешней. Если же говорить о 1 баре (100 кПа), то это 3.89 × 10¹⁸ кг, то есть примерно в 160 раз больше нынешней атмосферы Марса.

Но главная проблема даже не в суммарном давлении, а в составе. Для одного только кислорода при парциальном давлении 21 кПа требуется около 8.2 × 10¹⁷ кг O2. Для буферного газа, если взять ориентир pN2 = 50 кПа, нужен еще примерно 1.9 × 10¹⁸ кг N2. Поэтому «землеподобная» атмосфера — это не одна цифра давления, а несколько очень больших объемов разных веществ одновременно..

И откуда это взять? А в подповерхностных льдах, карбонатах, нельзя взять недостающее?

Если говорить о доступных внутренних запасах CO2, то консервативная суммарная оценка для легко мобилизуемых резервуаров — полярные отложения, адсорбированный реголит, приповерхностные карбонаты — это около 20 мбар (2 кПа), то есть примерно 7.8 × 10¹⁶ кг CO2. Это заметно больше, чем часто фигурирующие в популярных обсуждениях оценки только для отдельных месторождений, но все равно радикально недостаточно для глобальных сценариев E3-E4.

Для CO2 часть ответа как раз состоит в том, что мы уже учитываем полярные и приповерхностные резервуары, и даже верхняя разумная оценка дает только около 20 мбар (2 кПа). Для кислорода ситуация иная: его не нужно искать как готовый атмосферный запас, его нужно производить. Если брать ориентир на pO2 = 21 кПа, необходимо получить примерно 8.2 × 10¹⁷ кг O2. Это само по себе задача планетарного масштаба.

С азотом ситуация, возможно, еще жестче. Глобальный доступный запас фиксированного азота на Марсе плохо известен, но оценки из статьи показывают: чтобы обеспечить pN2 = 50 кПа только из верхних 100 метров реголита, средняя массовая доля азота должна была бы составлять около 6.7% по всей планете. Даже для слоя в 1 км нужна доля около 0.67%. Это очень тяжелое требование. Поэтому для глобального E4-сценария буферный газ, скорее всего, пришлось бы в значительной степени завозить извне, если только не будут открыты принципиально новые богатые залежи.

Про извлечение CO2 и кислорода из минералов мы вообще не говорим, потому что это невыгодно?

Скорее так: это не запрещено физикой, но масштаб получается крайне тяжелым. Например, если взять погребенный полярный запас CO2 порядка 6 мбар (600 Па), его масса составляет около 2.3 × 10¹⁶ кг, а идеальная энергия только на сублимацию — порядка 10²² Дж. Это уже несколько тераватт, если растягивать процесс на столетие.

С карбонатами еще труднее: их надо нагревать примерно до 300 °C, а это означает планетарный масштаб перемещения породы, подвода тепла и переработки материалов. Поэтому вопрос здесь не в принципиальной возможности, а в том, что вся задача очень быстро превращается из химической в индустриальную.

Пригодная для жизни температура

Какие еще причины не позволяют терраформировать Марс глобально?

Их удобно сформулировать как три ключевых блока.

Первый — это состав вещества. Нужно не просто иметь «какие-то газы», а обеспечить огромные массы CO2, O2 и буферного газа, причем в формах, доступных для добычи, переработки и распределения.

Второй — это энергетика и промышленная производительность. Планету нужно не только разогреть, но и синтезировать, добыть, доставить, сжать, распределить и поддерживать атмосферные компоненты в течение очень долгого времени.

Третий — это устойчивость и управление. Даже если нужную атмосферу создать, ее придется удерживать от коллапса, конденсации, геохимического поглощения и, для отдельных компонентов, от утечки в космос. То есть речь идет не об одноразовой акции, а о длительной системе климатического управления.

Если этого управления не будет, атмосфера просто пойдет вразнос?

Проблема не только и не столько в перегреве. Главный вопрос — удержать систему на нужной ветви равновесия. Для CO2-ориентированных сценариев есть риск атмосферного коллапса, когда CO2 конденсируется в холодных ловушках, прежде всего в полярных областях. Для водородных сценариев потепления есть другая проблема: водород быстро уходит, и его приходится постоянно восполнять.

Подогревать поверхность планируется с помощью «зайчиков» света от орбитальных зеркал?

Да, один из классов обсуждаемых механизмов — это орбитальные зеркала или другие способы изменить поглощаемый планетой солнечный поток. Но важно понимать масштаб. Если повышать эффективную излучательную температуру Марса прямым внешним воздействием, то прибавка 30 К требует примерно 78 Вт/м² на верхней границе атмосферы, а прибавка 60 К — уже около 191 Вт/м². Это колоссальные глобальные воздействия.

Именно поэтому зеркала в таких сценариях — не «хитрый инженерный трюк», а инфраструктура континентального класса в космосе.

Сколько это может стоить

Какие мощности вообще нужны для создания атмосферы?

Если говорить о глобальном дышащем сценарии E4, здесь масштаб другой: суммарные требуемые массы лежат в диапазоне порядка 10¹⁷—10¹⁸ кг, то есть это 10¹⁴—10¹⁵ тонн вещества.

По промышленным потокам это означает 10⁷—10⁸ кг в секунду при столетних и тысячелетних горизонтах строительства. Для наглядности: если растянуть кислородный компонент на 1000 лет, то потребуется производить около 820 гигатонн O2 в год. Для азота — около 1900 гигатонн в год.

С минимальной точки зрения по энергии одна только кислородная часть задачи требует примерно 1.2 × 10²⁵ Дж. Если распределить это на 1000 лет, получится средняя мощность около 380 ТВт. Если пытаться уложиться в 100 лет, это уже около 3.8 ПВт. И это теоретический минимум, без реальных потерь, сжатия, хранения, транспортировки и заполнения геохимических стоков.

Как механически не дать атмосфере улетучиться в космос?

В литературе обсуждается вариант магнитного диполя или плазменного щита в районе точки L1 системы Марс — Солнце. Но это именно вспомогательный инструмент удержания и радиационной защиты, а не источник атмосферы. Для него нужны отдельные системные исследования — по напряженности поля, расстоянию, массе конструкции, энергетике и режимам работы.

А помимо Солнца другие источники энергии, атом, например, годятся?

Для столь больших сценариев вопрос не в том, допустим ли тот или иной источник в принципе, а в том, какой непрерывный уровень мощности способна поддерживать система столетиями. Даже при термодинамическом минимуме речь идет о сотнях тераватт на тысячелетнем горизонте и о петаваттном классе на столетнем. Поэтому любая серьезная архитектура быстро упирается не в один «правильный» источник, а в общую способность цивилизации развернуть и поддерживать колоссальную энергосистему.

В долларах эти тераватты можно оценить?

Оценить можно хотя бы жесткие нижние границы. Теоретический минимум энергии на кислородную часть задачи — это примерно 3.3 × 10¹⁸ кВт·ч. Даже при очень оптимистичной цене электроэнергии 0.05 доллара за кВт·ч только энергетический минимум дает около 1.7 × 10¹⁷ долларов — и это без капитальных затрат, без компрессии, без разделения газов, без логистики и без многовекового обслуживания.

Если очень условно положить стоимость генерирующей мощности на уровне 1 доллара за установленный ватт, то одна лишь инфраструктура под 380 ТВт тянет еще примерно на 3.8 × 10¹⁴ долларов.

То есть для терраформирования Марса нужна уже не отдельная программа, а планетарная промышленность?

Именно так. Если сравнивать с сегодняшней Землей, то при тысячелетнем темпе строительства один только кислородный поток — около 820 гигатонн в год — составляет примерно восьмикратный эквивалент всей нынешней мировой добычи материалов. Азотный поток еще больше — около 1900 гигатонн в год.

Для сравнения: современная глобальная добыча материалов — порядка 106 гигатонн в год, выплавка стали — около 1.9 гигатонны в год, а средняя мощность мирового первичного энергопотребления — около 20 ТВт. На этом фоне 380 ТВт — это примерно девятнадцатикратный масштаб по отношению к нынешнему мировому энергопотреблению даже в тысячелетнем сценарии. Поэтому речь действительно идет о планетарной, а скорее уже и внеземной промышленной системе.

То есть выводы неутешительные?

Я бы сформулировал это спокойнее. Вывод не в том, что задача «запрещена», а в том, что нужно правильно классифицировать ее по масштабу. Глобальное преобразование Марса — это не проект одного поколения и не расширение уже показанных ISRU-технологий (In-Situ Resource Utilization) на два порядка. Это многовековая или многотысячелетняя система с огромными потоками вещества, энергии и инфраструктуры.

Поддерживать такую среду придется поколениями. Получается, нужна уже отдельная космическая экономика?

Да, и именно в этом состоит важный вывод. Если речь идет о глобальном сценарии, то земной промышленности в ее нынешнем виде для этого недостаточно. Понадобится автономная или полуавтономная космическая экономика: добыча сырья вне Земли, масштабная космическая логистика, переработка материалов, производство энергии и долговременные роботизированные цепочки поставок.

С этой точки зрения Марс — хороший тест на зрелость цивилизации. Он очень быстро показывает, где заканчиваются красивые декларации и начинаются реальные массовые балансы.

Отказ от идеи «сделаем вторую Землю»

Илон Маск что-то знал, когда говорил о переносе фокуса с Марса на Луну?

Я бы не связывал подобные заявления напрямую с физикой терраформирования. Для любой долгосрочной марсианской программы ключевым остается одно: надежная транспортная и индустриальная база. Без нее разговор о глобальном преобразовании среды остается преждевременным независимо от конкретных публичных заявлений.

Маск также предлагал когда-то подрывать на полюсах ядерные заряды, чтобы изменить климат Марса. В этом есть рациональное зерно?

Я бы сказал так: это эффектная идея, но не инженерное решение задачи. Даже если рассматривать сублимацию полярного CO2, доступный погребенный резервуар оценивается примерно в 6 мбар (600 Па), то есть около 2.3 × 10¹⁶ кг. Идеальная энергия на его высвобождение — порядка 10²² Дж. Но даже полное высвобождение этого резерва не выводит Марс ни к глобально устойчивой жидкой воде, ни к дышащей атмосфере.

Иными словами, один мощный импульс не закрывает проблему запасов вещества, теплового режима, состава атмосферы и ее удержания. Здесь нужна не эффектная акция, а длинная управляемая индустриальная программа.

А что насчет аэрозолей, которые часто предлагают распылять для создания парникового эффекта?

Это один из самых интересных классов идей, но их часто неправильно понимают. Аэрозоли или инженерные наночастицы — это не источник кислорода и не источник буферного газа. Это радиационный инструмент: они могут эффективнее поглощать или перераспределять излучение и за счет этого греть атмосферу при сравнительно небольшой добавленной массе.

Но за это приходится платить постоянным пополнением. В рассмотренном в статье ориентире впрыск порядка 30 литров частиц в секунду соответствует примерно 90 кг/с, то есть около 3 × 10¹⁰ кг за десятилетие. Для глобального климата это сравнительно небольшой массовый поток по сравнению с атмосферой, но как промышленная задача это все равно очень серьезный непрерывный режим работы.

А создать завод и делать такие частицы из местного сырья?

Для локальных и региональных задач — возможно. Но даже если такие технологии будут работать, они решают именно задачу потепления, а не задачу создания землеподобной атмосферы. Аэрозоли могут помочь сдвинуть тепловой баланс, но не отменяют необходимости в O2 и буферном газе на уровне 10¹⁸ кг класса для глобального E4-сценария.

Если с преобразованием всей планеты все так сложно, насколько реализуемы локальные проекты в замкнутых объемах?

Вот это как раз наиболее перспективное направление. Локальные сценарии хороши тем, что там требуемая масса масштабируется не с площадью всей планеты, а с площадью конкретного региона или сооружения. Именно поэтому паратерраформирование и защищенные биосферы выглядят как разумный первый шаг.

Здесь полезна аналогия с Biosphere 2 в Аризоне (экспериментом по созданию замкнутой экосистемы): замкнутый объем, контролируемый состав атмосферы, теплообмен, влажность и энергетика. На Марсе такой подход можно реализовывать поэтапно — от небольших жилых и аграрных модулей до более крупных купольных систем. Это принципиально другой класс задачи, чем переделка всей планеты.

То есть колонии под куполами — это уже не фантастика?

Я бы сказал так: это не простая задача, но она находится в правильном масштабе. Для региональных целей статья прямо показывает, что именно E1-E2 дают наибольшую отдачу при разумном масштабе промышленности. Там доминируют локальная энергетика, площадь покрытия, теплоизоляция, автоматизация и устойчивое управление, а не эксатонные массы газа.

Тема выращивания растений в марсианском или лунном грунте постоянно возникает в исследованиях. Есть ли в этом смысл, если глобальное терраформирование так далеко?

Безусловно, есть. Но я бы смотрел на это шире, чем просто на прикладную агрономию для колонии. Такие эксперименты помогают понять, как жизнь работает в нетривиальных условиях — при другой гравитации, другой радиации, другом составе реголита и в сильно замкнутых экосистемах.

Это важно не только для Марса. Это важный вклад в более общий вопрос: насколько гибка жизнь как физико-химический процесс и где именно проходят ее реальные границы. Поэтому такие работы, на мой взгляд, абсолютно осмысленны.