ГлавнаяБлогиБлог Юлии Орловой

«Як ми житимемо на Марсі» Стівена Петранека. Уривок із книги

Сьогодні день космонавтики і коли, як не сьогодні, запропонувати вашій увазі книгу про життя на Марсі?

Здається, це наукова фантастика, але скоро ми справді житимемо на Марсі.

 Дехто, залучаючи великі гроші, спрямовує неймовірні зусилля на те, щоб доставити перших людей на Червону планету. Приватні компанії, що ними керують бунтарі-підприємці, такі як Ілон Маск, Джеф Безос, Річард Бренсон, конкурують із NASA та низкою інших космічних агенцій за можливість першими висадитися на Марсі. У провокаційній книжці «Як ми житимемо на Марсі», що здобула чимало нагород, журналіст Стівен Л. Петранек обґрунтовує, чому життя на Марсі — обов’язковий запасний план для людства, і пояснює, як це відбуватиметься та які можуть бути ризики.

ЖИТТЯ НА МАРСІ

Щоб вижити на Землі, людям потрібні чотири речі: їжа вода, житло та одяг. Щоб вижити на Марсі, людям потрібні п’ять речей: їжа, вода, житло, одяг і кисень. Здобуття надійного джерела цих п’яти найважливіших ресурсів забезпечить майбутнє людству як міжпланетному видові.

Проблема води

Усього чотири хвилини без кисню можуть спричинити пошкодження головного мозку, а п’ятнадцять хвилин — це загальновизнаний поріг смерті від кисневого голоду. Однак ніхто не сподівається, що на Марсі ми знайдемо хоч якийсь кисень. Ми повинні добути його самотужки. І добути кисень ми можемо тільки з води — якщо вдасться її там знайти. Знайшовши воду, ми зможемо добувати кисень кількома способами, зокрема за допомогою простого електролізу — пропускаючи крізь воду електричний струм. Тож вода — найважливіший елемент для виживання людини на Марсі, особливо том , що вона дуже важка, щоб її можна було привезти із Землі. Якщо на Марсі немає потрібної кількості води, жити там ми не зможемо.

Багато років тому, коли різні марсіянські орбітні апарати й посадкові модулі існували лише на папері, NASA ухвалили важливе рішення — «слідувати за водою». Ішлося не про зосередження на колонізації планети, а про намір знайти чужопланетне життя. Немає води — немає життя. Тепер це видається іронічним, але бажання NASA з’ясувати, чи є життя на Марсі, по суті, привело нас до зовсім іншого висновку: на Марсі може існувати життя — людське життя.

Дані, зібрані за допомогою різних апаратів, зокрема «Curiosity», «Марсіянського розвідувального супутника», «Mars Odyssey», «Mars Express» та навіть посадкових модулів «Viking» (1970-і роки), свідчать про те, що насправді на Марсі є вода. Однак достеменно це стало відомо лише після того, як 2008 року посадковий модуль «Phoenix» опустився на полярну шапку північної півкулі. Тепер ми, поза сумнівом, знаємо, що на Марсі є заморожена вода і її легко знайти в марсіянському ґрунті — реголіті.

Хоча площа Марса становить лише близько 28 % від площі Землі, площа суші на обох планетах практично однакова, адже 70 % поверхні Землі вкрито океанами, озерами та річками. Марс водою не вкритий, за одним дуже важливим винятком: на поверхні планети може бути понад 4 мільйони кубічних кілометрів води, але майже вся вона матиме вигляд криги. Отже, вода на Марсі може з’являтися час від часу за особливих атмосферних умов, але поки атмосфера не стане значно щільнішою, а поверхневі температури не підвищаться, вода в рідкому стані буде дивиною.

Багато замерзлої води — на північному та південному полюсах Марса, частково вона схована під замерзлим вуглекислим газом. Якщо все це розтопити, планета була б укрита океаном завглибшки в сотні метрів. Це дуже багато води, але не так багато, як було колись, якщо вірити даним геологічних досліджень. На Марсі десятки тисяч річкових долин, а також безмір висохлих великих озер. Щонайменше третина Марса колись могла бути вкрита океаном. Частина нагір’я Елізій — великий простір біля екватора — може виявитися морем фрагментованої криги завбільшки як земне Північне море.

Схоже, що криги на Марсі вдосталь, але оцінки того, скільки льоду може бути в реголіті, дуже відрізняються — десь від 1 до 60%. На Марсі, просто під його поверхнею, є безліч маленьких льодових озер, і багато з них, схоже, розташовані поблизу екватора. Для перших поселенців водойми із замерзлою водою стали б у пригоді.

Частина води, що колись вільно текла по планеті, найпевніше, випарувалася в космос, коли Марс втратив атмосферу. Багато що про це нам розповів космічний літальний апарат MAVEN, що тепер перебуває на орбіті Марса. Значна частина марсіянської води могла проникнути під поверхню, але більшість її, ймовірно, лишилася на поверхні, перетворившись на кригу. Якщо для марсіянських поселенців критерієм «добробуту» буде доступ до водних ресурсів, то їх можна вважати дійсно багатими. Якби Марс виявився й справді таким посушливим і безводним, яким він здавався в телескоп і на зображеннях, одержаних під час перших польотів, то нам довелося б зосередитися на колонізації далекої дивної планети — Венери.

Пошук води на Марсі досі не здавався складним завданням, а от перетворити лід на рідину першим поселенцям буде й справді дуже непросто. Вирішення водної проблеми вимагатиме величезних затрат людської енергії. Значна частина добутої води може виявитися кригою, змішаною з реголітом. Тобто це буде типова вічна мерзлота, що потребуватиме використання відбійного молотка. І навіть тоді, щоб дістати воду в рідкому стані, може знадобитися гірниче устаткування та багато енергоносіїв, тож першим колоністам дуже пощастить, якщо вони знайдуть невелике озерце чистого льоду.

Найліпший з усіх імовірних сценаріїв — знайти воду вже в рідкому стані. Цілком можливо, вона ховається під землею. І хоча щодо родовищ підземних вод на Марсі є велика кількість спекуляцій, дійсного стану речей не знає ніхто. Першим астронавтам треба мати змогу бурити хоча б на помірні глибини, сподіваючись знайти джерела рідкої води. Здобути воду з поверхні Марса або зі свердловини — це не ракетобудування, однак тут потрібні спеціальні знаряддя, зокрема печі та пристрої для дистиляції (інакше під час буріння з’являтимуться кріовулкани з води, яка підніматиметься на поверхню, тієї самої хвилини замерзаючи під дією низьких температур).

Один зі сценаріїв полягає в тому, що колоністам доведеться вручну вирубувати з поверхні брили реголіту, хоча згодом на вантажних кораблях будуть доставлені невеликі бульдозери та вантажівки, що дозволить збільшити обсяг праці кожного колоніста. Реголіт поміщатимуть у печі й нагріватимуть доти, доки лід не перетвориться на пару. Тоді воду дистилюватимуть й очищатимуть, аж поки вона не стане питною. Доведеться розбиратися з великою кількістю відходів, і цей процес вимагатиме затрат енергії — частину її можна буде здобути від сонячних батарей, проте, щоб здобути більше енергії, схоже, знадобиться невеликий ядерний реактор.

***

Готових до використання обладнання та припасів, які потрібні для життя на Марсі в перші роки, буде доставлено із Землі дуже мало. Як і автомобілі «тесла» Ілона Маска, мало не кожен інструмент чи пристрій, що використовуватиметься на Марсі, треба буде ретельно продумати. Неприпустимо, наприклад, щоб свердляр, шукаючи воду, несподівано виявив, що не завбачено якоїсь конкретної проблеми, як-от особливо щільне родовище, і без спеціального свердла йому не обійтися. Щоб виживання на Марсі мало розумну ймовірність, слід передбачити кожну обставину.

То що ж нам робити, якщо всі спроби перших астронавтів на Марсі добути воду з реголіту, пробурити водну свердловину чи вирубати брили льоду з марсіянської поверхні зазнають жалюгідних невдач? На цей випадок є гарний запасний план. Як ми дізналися з даних насівського «Viking» — першого космічного літального апарата, що успішно сів на Марс 1976 року, — хоч атмосфера на Червоній планеті розріджена, вона все ж таки волога, і часто рівень вологості становить 100 %. Дослідження, опубліковане 1998 року у Вашинґтонському університеті, описує пристрій, названий WAVAR (Water Vapor Adsorption Reactor), що може добувати досить H2O з марсіянської атмосфери, щоб підтримувати життя людей на Червоній планеті. У статті зазначено, зокрема, що «атмосфера Марса — найочевидніше глобальне джерело води на планеті. <…> [Хоча на Марсі] атмосфера, якщо порівняти із земною, надзвичайно суха. <…> У середньому щоденно атмосфера Марса насичена максимальною кількістю води, і вночі відносна вологість може досягати показника в 100 % <…> більшу частину року й на більшості широт».

WAVAR використовує цеоліти — мінерали, що адсорбують воду. Ці мінерали трапляються на Землі, і їх легко виготовляють на комерційній основі. (Зокрема, цеоліти використовують у промислових осушувачах, щоб вбирати б водяну пар з атмосфери.) У статті про WAVAR пояснюється, який простий цей процес: «Марсіянська атмосфера за допомогою вентилятора втягується в систему через пиловий фільтр. Відфільтрований газ проходить крізь адсорбувальний шар, де з потоку вилучається водяна пара. Після того як бадсорбувальний шар досягає сатурації, водяна пара десорбується з адсорбувального шару, конденсується й надходить у сховище. У конструкції лише сім компонентів: фільтр, адсорбувальний шар, вентилятор, десорбційний вузол, поворотний механізм, конденсатор і система активного керування».

Щоб якомога зменшити масу реактора, а також мінімізувати його вплив на довкілля, WAVAR треба доставити на марсіянську поверхню й почати добувати воду за два роки до прибуття команди астронавтів.

Повторімо ще раз те, що й так здається очевидним: якщо на Марсі є вода, як ми й передбачаємо, можливість створення постійного людського поселення на цій планеті видає ься цілком правдоподібною.

Проблема кисню

Тепер перейдімо до кисневої проблеми. Я що у вашому космічному скафандрі вичерпається кисень, ви почнете дихати двоокисом вуглецю, що його видихаєте, і зрештою за якийсь час втратите свідомість. А там і до смерті зовсім близько. Люди не можуть довго дихати повітрям, де понад 5% CO2, частково через те, що ми маємо такий захисний механізм: ми непритомніємо від надміру CO2.

Зважаючи на це, Марс скидається дуже ворожим місцем, адже тамтешня атмосфера майже не містить кисню. «Повітря» на Червоні планеті, згідно з даними марсохода «Curiosity», що їх зібрано 2012 року, складається на 2% з азоту 2% з аргону, 95 % з вуглекислого газу та з мізерної частки оксиду вуглецю та кисню. Залежно від пори року ці показники можуть змінюватися, бо в зимові місяці деякі гази на полюсах замерзають, а навесні знову випаровуються. Попри те що в марсіянській атмосфері менше за 1% вільного кисню, загалом на планеті кисню багато. Уся річ у тому, що вуглекислий газ за молярною вагою на 28% складається з вуглецю та на 72% — з кисню. Якщо марсіянська атмосфера на 95% складається з CO2, то принаймні 70% від загальної маси тамтешнього повітря припадає на кисень. І хоча щільність марсіянської атмосфери досягає лише 1 % від щільності атмосфери Землі, кисню там однаково багато.

У воді, що її першопрохідці добудуть на Марсі, кисню ще більше. Близько 89 % маси води припадає на кисень. А земляни досить давно навчилися за допомогою простої технології під назвою електроліз розщеплювати молекули води, добуваючи кисень. Для цього треба всього лише в резервуар з водою опустити два електроди, під’єднати їх до електричного струму і — вуаля! Кисень можна збирати на одном кінці резервуара, поблизу анода, а водень — на другому кінці, біля катода. Водень може слугувати прекрасним джерелом палива та енергії. Майже кожному учневі старшої школи в США під час лабораторних робіт доводилося виконувати експеримент з електролізом. Цей процес має й додаткову перевагу: водень та кисень, якщо їх відокремити, утворюють ідеальне ракетне паливо. Першим марсіянським колоністам, щоправда, доведеться стикнутися з однією проблемою: електроліз потребує великої кількості електрики.

На щастя, NASA вже вирішила проблему кисню. Марсохід, що полетить на Марс 2020 року (він буде наступником «Curiosity»), матиме паливний елемент, здатний розщеплювати марсіянський атмосферний СО2 на кисень та окис вуглецю. Ця технологія називається MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resou ces Utilization Experiment). У її основі — процес, подібний до електролізу у воді, тільки з використанням вогнетривкої кераміки в повітрі. «Електрична напруга на кераміці вибірково відокремлює іони оксигену, що за допомогою каталізатора збираються на поверхні», — розповідає доктор Майкл Гехт, провідний дослідник MOXIE і заступник директора з наукової частини Гайстекської обсерваторії Массачусеттського технологічного інституту (МТІ). NASA потрібен MOXIE не так для того, щоб довести нашу здатність видобути кисень для дихання, як для того, щоб створити окислювач для ракетного палива. Кисень важить значно більше, ніж таке ракетне паливо, як водень чи метан, тому NASA, прагнучи мати досить палива на зворотний шлях, хоч видобувати його на Марсі, а не привозити із собою з Землі.

Модуль MOXIE, установлений на новому марсоході, за стандартної температури та тиску вироблятиме лише близько п’ятнадцяти літрів кисню за годину. Наче й не дуже багато, але, з іншого боку, людські легені споживають усього п’ять-шість мілілітрів кисню за хвилину. «Загалом MОXIE може постійно виробляти доволі кисню для однієї людини, якщо ця людина не дуже активна», — каже Гехт. Я що MOXIE працюватиме так, як і передбачається, NAS планує збільшити його розміри в 100 разів, хоча для забезпечення роботи такого пристрою буде потрібен ядерний реактор. «Теперішній MOXIE — модел у масштабі 1:100 майбутнього заводу, що має в кінцевому підсумку підтримувати людську місію, — каж Гехт. — Ідея полягає в тому, щоб спочатку встановити автоматичну станцію з ядерним реактором і кисневим заводом. Через двадцять шість місяців, переконавшись, що цистерна з O2 повна, а реактор працює, ми відрядимо туди людей».

Населення Землі дихає повітрям, що містить близько 78 % азоту та 21 % кисню. Люди можуть дихати багатьма сумішам газів, включаючи суміш із гелію та кисню, однак не сумішшю з 20 % кисню і 80 % двоокису вуглецю. Газ, що ми змішуємо з киснем, має бути неактивним або інертним, наприклад аргон або гелій. Азот зазвичай інертним газом не вважається, але зв’язок, утворений двома атомами азоту, такий сильний, що він дуже рідко коли реагує з іншими атомами.

Проблема їжі

Одна з найважливіших умов виживання людини на Марсі — наявність їжі. Сільськогосподарська наука високо розвинена в багатьох країнах, зокрема в Сполучених Штатах Америки. Тож багато науковців роками намагалися з’ясувати, як ми вирощуватимемо рослини на Марсі. (Колоністи будуть вегетаріанцями, сподобається це їм чи ні, бо розводити тварин на Червоній планеті куди менш ефективно.) Якщо перші поселенці висадяться поблизу екватора, удень там буде досить тепло для надувних парників. Їх треба буде добре ізолювати і обігрівати за допомогою пасивних сонцевих технологій, таких як теплопоглинальне каміння, яке на весь день можна виставити на осонні, а також електричне опалення, щоб компенсувати різке падіння температури вночі. Рослини, окрім того, потребуватимуть щільнішої атмосфери, ніж є тепер на Марсі. Типовий марсіянський день у сонцестоянні — це приблизно дванадцять годин денного світла і дванадцять годин темряви. Думки щодо тиску всередині марсіянського парника розходяться, але ботаніки припускають, що зможуть вирощувати рослини в середовищі, де тиск дорівнюватиме одній десятій атмосферного тиску Землі. Експерименти, які проведено на Міжнародній космічній станції, показали, що рослини можуть рости в умовах невагомості, однак ніхто не знає напевно, як вплине на них гравітація Марса, що на 38 % сильніша за земну.

Ми досить добре знаємо про марсіянський реголіт, щоб упевнено припускати: з нього вийде хороший ґрунт, хоча великою мірою це буде залежати від конкретного місця, звідки візьмуть реголіт. Зразки, обстежені посадковими модулями, та аналіз метеоритів, що прилетіли на Землю з Марса, свідчать, що на поверхні Червоної планети є смектит — мінерал, який трапляється на Землі й часто використовується в складі наповнювачів для котячих туалетів. Цей мінерал легко вбирає воду й може бути корисним у вирощуванні рослин. Однак марсіянський ґрунт, можливо, виявиться надто кислим чи надто лужним, і знадобиться його відновлювати, додавати поживні речовини, як-от азот. Гідротопоніка — вирощування рослин у багатій на поживні речовини воді, без ґрунту — буде найнадійнішим способом успішно одержувати врожай сільськогосподарських культур за умови, що воду буде легко добувати й зберігати в рідкому стані.

Біолог і художник Анджело Верм’юлен, що кілька місяців жив у змодельованому марсіянському середовищі, розповідає: «Особисто я не впевнений, що парники — це хороша ідея. Надто мало сонячного світла й занадто багато радіації. Вони матимуть гарний вигляд на листівці з Марса, але самі по собі зовсім не практичні». На його думку, ліпше себе зарекомендують гідропонічні «камери для вирощування», укриті від сонячної радіації під насипами ґрунту чи взагалі сховані під землею в природних лавових каналах. «Вирощування їжі на Марсі — це питання контролю, — каже Верм’юлен. — Треба буде дуже пильно контролювати довкілля. За допомогою LED-освітлення можна буде контролювати частоту, спектр та інтенсивність світла. У гідропоніці вода та поживні речовини теж суворо контролюються, і це дає більшу впевненість на багатший урожай».

Хоча першим поселенцям доведеться регулювати високий відсоток вуглекислого газу в марсіянській атмосфері в камерах для вирощування й парниках, великі дози газу, можливо, допоможуть рослинам зростати швидше й ефективніше.

«Можна буде налаштувати різний рівень CO2 та подивитися, який підходить найліпше», — вважає Верм’юлен. Загальний обсяг сонячного світла на Марсі становить близько 60 % від того, що ми маємо на Землі. У полудень на Червоній планеті сонцева енергія, яку можна використовувати для вирощування рослин, дає приблизно шістсот ватів енергії на квадратний метр. На Землі ця цифра становить близько тисячі ватів на квадратний метр. Таким чином, сонячне світло на Марсі еквівалентне сонячному світлу на Землі, коли сонце починає схилятися на захід і перебуває під кутом приблизно 35 градусів над обрієм. Можна собі уявити марсіянське сонце поблизу екватора, як земне сонце в зимові місяці в таких містах, як Мілан, Чікаґо, Пекін і Саппоро.

Марсіянські посіви повинні бути якомога поживнішими та забирати дуже мало місця. Боби, наприклад, мають висок й вміст білка та клітковини, і цілком можливо, що вони становитимуть частину марсіянського раціону. Однак дослідження сільськогосподарських культур, які мають скласти такий набір, ще не завершено. Гриби можна доволі у пішно вирощувати на компості, залишеному від тих рослин, які люди не з’їдять. Якби меню складав Верм’юлен, то там обов’язково були б комахи: «Комахи повинні бути частиною раціону для астронавтів. У хрустких кониках і цвіркунах повно білка. Мені ще подобається засушений борошняний хрущак. В одному моєму проекті ми їх обсмажували та клали в салати».

Салат-латук та інші листяні рослини будуть розкішшю, але й неминучою потребою. «Салат-латук ідеальний. Його поживна цінність мала, а об’єм — досить великий. Однак на людей він справляє хороший психологічний ефект, бо на вигляд свіжий і соковитий», — каже Верм’юлен.

Біолог збитий з пантелику фактом, що люди й досі вважають, ніби астронавти вживають їжу з тюбиків: «Астронавти прагнуть комфортної їжі. Їм хочеться їсти разом. Вони попросили повернути їм на Міжнародну космічну станцію стіл, який був там раніше, щоб мати змогу їсти разом. Вони не хочуть забувати, звідки родом, хочуть мати нагадування про їхню культуру й ідентичність. Китайським і російським астронавтам подобається їсти дещо таке, що може не подобатися американцям».

Недавній п’ятдесятиденний експеримент у голландському парнику, спонсорований коштом Міністерства економіки Нідерландів, дозволив з великим оптимізмом поглянути на можливість вирощувати врожай на Марсі, хоча в ньому й не враховувалися менша сила тяжіння й менша кількість сонячного світла. NASA надавала голландським виробникам ґрунт з Гавайських островів та Аризони, що, на думку агенції, схожий з марсіянським реголітом. З насіння виросло близько 4200 рослин, і кожна насінина, висаджена в змодельований марсіянський ґрунт, дала сходи. Крес-салат, помідор , жито та морква — серед тих видів, котрі, схоже, найліпше проросли в марсіянськоподібному ґрунті, що, як і передбачалося, добре втримує воду. Провадяться й інші дослідження, зокрема канадські експерименти на острові Девон й у парнику Марсіянської спільноти в штаті Юта.

Незалежно від того, чи досягнемо ми успіху, вирощуючи їжу на Марсі, у перші дні ця їжа становитиме лише невелику частину раціону. Більшість їжі доведеться привезти із собою з Землі. «Я не думаю, що м коли-небудь досягнемо того, щоб на 100 % вирощувати їжу на Марсі, — каже Верм’юлен. — Чесно кажучи, для початку буде чудово, якщо ми зуміємо вирощувати 10% їжі». Почасти це тому, що камери для вирощування та сільгосптехніка — дуже громіздкі й потребують великих затрат енергії. Коли справа доходить до космічних подорожей і життя на іншій планеті, усе вирішують маса та енергія.

Юлія Орлова Юлія Орлова , Генеральний директор видавництва «Віват» (ГК «Фактор»)
Читайте главные новости LB.ua в социальных сетях Facebook, Twitter и Telegram