Centauri Dreams, May 29, 2020

Терраформирование нового мира — это захватывающая дух задача, о которой часто думают в связи с превращением Марса в благоприятную среду для поселенцев. Но есть менее сложные альтернативы для защищенной колонии. Как объясняет Роберт Зубрин в эссе ниже, покрытые льдом озера — это вариант, который может предложить необходимые ресурсы для защиты колонистов от радиации.

Основатель Марсианского общества, автор нескольких книг и многочисленных статей, Зубрин является создателем концепции Mars Direct, которая предусматривает разведку с использованием современных и перспективных технологий. На страницах Centauri Dreams мы рассмотрели многие из его идей о межзвездных полетах, в том числе торможение с помощью паруса и концепцию ядерной ракеты с соленой водой.

В настоящее время у президента Pioneer Astronautics, недавно вышла из печати в издательстве Prometheus Books книга «The Case for Space: How the Revolution in Spaceflight Opens Up a Future of Limitless Possibility» (Как революция в космических полетах открывает будущее безграничных возможностей).

Аннотация

В данной статье рассматриваются возможности создания марсианских поселений под поверхностью покрытых льдом озер. В ней показано, что такие поселения обладают многими преимуществами, в том числе: способностью быстро создавать очень большие объемы пространства под давлением, всеобъемлющей радиационной защитой, высокоэффективным производством электроэнергии, регулированием температуры, наличием обильных ресурсов, отдыхом на свежем воздухе и созданием живой местной биосферы, поддерживающей потребности растущего населения в продуктах питания и среде обитания.

Введение

На поверхности Марса есть много проблем для человеческого поселения. Атмосферное давление составляет всего около 1 процента от давления на Земле, что обусловливает необходимость в привычке к жизни в герметических помещениях, делает скафандры необходимыми для активного отдыха, и обеспечивает менее оптимальную защиту от космического излучения. По этим причинам предлагалось создать крупные подземные сооружения, сравнимые с системами городского метрополитена, чтобы обеспечить герметичные хорошо экранированные объемы для жилья человека [1]. Тем не менее, проблемы гражданского строительства при создании таких систем весьма сложны. Кроме того, пищу для таких поселений придется выращивать в теплицах, ограничивая их потенциальные площади и накладывая либо огромные требования к мощности, если они находятся под землей, либо создавая большие прозрачные герметичные структуры на поверхности. Вода доступна на поверхности Марса в виде льда или вечной мерзлоты. Эти материалы могут быть добыты, а продукт доставлен на базу, но логистика для этого, хотя и значительно превосходит все, что возможно на Луне, значительно менее удобна, чем прямой доступ к жидкой воде, возможный почти для всех человеческих поселений на Земле. В то время как на Марсе дневные температуры близки к 0°C, ночные температуры падают до — 90°C, что создает проблемы для машин и теплиц на поверхности. Тем не менее, несмотря на низкие ночные температуры, эффективность ядерных реакторов снижается из-за необходимости отвода отработанного тепла в среду, близкую к вакууму.

Все эти трудности могут быть легко решены путем терраформирования планеты [2]. Однако это огромный проект, масштаб которого потребует серьезных усилий от марсианской цивилизации, которая должна будет достигнуть значительных размеров и промышленной мощи. По этой причине некоторые предложили идею «пара-терраформирования» [3], то есть перекрытия более ограниченной области Красной планеты, такой как Valles Marineris (Долина Маринера), и терраформирования именно этой части. Но строительство такой крыши само по себе было бы гораздо большим инженерным проектом, чем любой другой, сделанный в истории человечества. Однако на Марсе есть места, которые уже покрыты кровлей. Это заполненные льдом многочисленные кратеры планеты.

Создание озер на Марсе

В арктических и антарктических регионах Земли находятся многочисленные постоянно покрытые льдом или «подледные» озера [4]. Известно, что эти озера поддерживают активные микробные и планктонные экосистемы.

Большинство субарктических и озер умеренной широты зимой покрыты льдом, но многие члены их водных сообществ остаются очень активными, что хорошо известно рыбакам – любителям зимней рыбалки.

Могут ли существовать на Марсе похожие, покрытые льдом озера?

На данный момент, похоже, что нет. Орбитальный аппарат ESA Mars Express обнаружил высокосоленую жидкую воду глубоко под землей на Марсе с помощью радиолокатора, проникающего сквозь землю, и такие среды представляют большой интерес для научных исследований с помощью бурения. Но чтобы быть полезными для заселения, нам нужны покрытые льдом озера, которые напрямую доступны с поверхности. На Марсе множество заполненных льдом кратеров. Однако это не озера, так как, будучи составленными из почти чистого водяного льда, они замерзли сверху донизу. Возможно ли исправить этот недостаток?

Я считаю, что это возможно. Давайте рассмотрим проблему на примере. Королев — это заполненный льдом ударный кратер в четырехугольнике Mare Boreum на Марсе, расположенный на 73° северной широты и 165° восточной долготы (рис. 1). Его диаметр составляет 81,4 километра, и он содержит около 2200 кубических километров водяного льда, по объему аналогичного Большому Медвежьему озеру на севере Канады. Почему бы не использовать ядерный реактор, чтобы растопить воду подо льдом, чтобы создать огромное, покрытое льдом озеро?

Давайте посчитаем. Таяние льда при 0° С требует 334 кДж/кг. Нам нужно будет поставить это плюс еще 200 кДж/кг, при условии, что начальная температура льда равна -100 С, всего 534 кДж/кг. Плотность льда составляет 0,92 кг/литр, поэтому для таяния 1 кубического километра льда потребуется 4,9 x 1017 Дж, или 15,6 ГВт в год. Атомная электростанция мощностью 1 ГВт на Земле требует отвода около 3 ГВт выработанной тепловой энергии. Это также будет справедливо в случае электростанции, расположенной рядом с Королевым, поскольку она будет использовать ледяную воду, взятую в кратере, в качестве превосходной среды отвода тепла. С помощью 5 таких установок, используя как их отработанное тепло, так и рассеивание от их электрических систем, мы можем вытаивать кубический километр льда каждый год.

Средняя глубина Королева составляет 500 метров, что намного глубже, чем нам нужно. Таким образом, вместо того, чтобы пытаться растопить его полностью, оптимизированной стратегией может быть сосредоточение на прибрежных районах со средней глубиной, возможно, 40 метров. В этом случае каждый кубический километр растаявшего льда откроет 25 квадратных километров жидкого озера для заселения. В качестве альтернативы, мы могли бы просто выбрать меньший кратер с меньшей глубиной и растопить лед внизу, исключая ледяной покров на его поверхности.

Жилье в Марсианском озере

На Земле 10 метров воды создают одну атмосферу давления. Поскольку сила притяжения Марса составляет всего 38 процентов земной, потребуется 26 метров воды, чтобы создать такое же давление. Но так много давления не нужно. При высоте всего 10 метров воды у нас все равно будет 0,38 бар внешнего давления, или 5,6 фунта на кв.дюйм, что позволит создать атмосферу азота 3,6 фунтов/кв.дюйм, сопоставимую с использовавшейся на космической станции Skylab. Снижение содержания азота в атмосфере таким образом также может быть полезным, поскольку азот является лишь незначительной составляющей марсианской атмосферы, что затрудняет его получение на Марсе. Ограничение доли азота во вдыхаемом воздухе также облегчит путешествие в среды с более низким давлением без страха получить кессонную болезнь. Десять метров воды над подводной средой обитания также обеспечат защиту от космических лучей, эквивалентную той, которую обеспечивает атмосфера Земли на уровне моря.

Строительство мест обитания может быть сделано с использованием любых методов, используемых для подводных мест обитания на Земле. К ним относятся закрытые сосуды под давлением, такие как подводные лодки, или системы с открытым днищем, такие как водолазные колокола. Последние предлагают преимущество минимизации конструктивной массы, поскольку они имеют внутреннее давление, почти равное давлению окружающей среды, и прямой легкий доступ к морю через нижние двери без необходимости в шлюзах. Таким образом, хотя закрытые подводные лодки, вероятно, лучше подходят для путешествий, поскольку их обитатели не испытывают изменения давления с глубиной, места обитания с открытым дном предлагают превосходные варианты для расселения. Поэтому мы сосредоточим наш интерес на них.

Рассмотрим расчетный модуль с открытым дном, состоящий из купола диаметром 100 м, пик которого находится на 4 метра ниже поверхности, а основание — на 16 метров ниже поверхности. Таким образом, купол имеет четыре палубы, по 3 метра свободного пространства на каждой. Купол натянут, потому что весь воздух в нем находится под давлением 9 фунтов на квадратный дюйм, что соответствует давлению воды в озере у его основания, в то время как давление воды в озере на его вершине составляет всего около 2,2 фунтов на квадратный дюйм для внешнего давления на материал купола около вершины 6,8 фунтов на квадратный дюйм. Купол имеет радиус кривизны 110 м.

Требуемый предел текучести материала, составляющего сферу под давлением, определяется следующим образом:

? = xPR/2t (1)

Где ? — предел текучести, P — давление, R — радиус, t — толщина купола, а x — коэффициент безопасности. Допустим, купол изготовлен из стали с пределом текучести 100 000 фунтов на квадратный дюйм и х = 2. В этом случае уравнение (1) говорит, что:

100,000 = (6.8)(110)/t, or t= 0.0075 m = 7.5 mm.

Масса стали будет около 600 тонн. Это неплохо для создания среды обитания с жилой площадью около 30 000 квадратных метров.

Если бы вместо стали мы изготовили шатровый купол из материала spectra, прочность которого в 4 раза больше прочности стали и составляет 1/9 плотности, масса купола должна составлять всего около 17 тонн. Однако его нужно было бы привязать по всей окружности. Для этой цели можно было бы использовать балластные массы в 90 000 тонн горных пород. В противном случае привязные тросы можно было бы закрепить на кольях, вбитых глубоко в мерзлую землю под озером.

Привлекательной альтернативой этим инженерным методам для создания купола из изготовленных материалов может быть просто таяние купола из льда, покрывающего само озеро. Например, скажем, ледяной покров имеет толщину 20 м, и мы плавим в нем купол высотой 12 м, диаметром 100 м и радиусом кривизны 110 м. Заполнение этого купола смесью кислород/азот обеспечит среду обитания такого же размера, что и рассмотренный выше. Давление под 20 м льда (плотность = 0,92) составляет 0,7 бар или 10,3 фунтов на квадратный дюйм. Крыша купола находится под 8 м льда, масса которого оказывает сжимающее давление 0,28 бар или 4,1 фунта на кв.дюйм, оставляя перепад давления 6,2 фунта на кв.дюйм, который будет удерживаться силой льда. Прочность льда на растяжение составляет около 150 фунтов на квадратный дюйм, поэтому, взяв эти значения в уравнение (1), мы обнаружим, что коэффициент безопасности x в самой тонкой точке купола будет равен:

150 = x(6.2)(110)/[(8)(2)], or x = 3.52

Этот фактор безопасности более чем адекватен. Сети куполов такого размера могли быть вплавлены в ледяной покров и соединены туннелями через толстый материал у их оснований. Если бы требовались купола с гораздо большим радиусом кривизны, то лед можно было бы значительно укрепить, вморозив в него специальную сетку.

Масса льда, растаявшего при создании каждого такого купола, составляет около 80 000 тонн, для плавления требуется 1 МВт-год энергии. Для наполнения купола газом также потребуется около 90 тонн кислорода. Он может быть получен путем электролиза воды. Если предположить, что электролизные установки эффективны на 80%, для их производства потребуется 1950 ГДж или 62 кВт-год электроэнергии. Поэтому такие большие жилые купола могут быть построены и заполнены воздухопроницаемым газом задолго до создания озера с использованием гораздо более скромных источников энергии.

Такие же сжатые структуры жилья еще больших размеров могут быть созданы подо льдом. Это возможно потому, что лед имеет 92-процентную плотность воды, так что если бы 50-метровый столб льда под ледяной поверхностью озера был растоплен, он дал бы столб воды глубиной 42 метра и 8 метров пустоты, которая могла бы быть заполнена воздухом.

Итак, допустим, у нас был ледяной кратер, участок ледяного кратера или даже ледник радиусом 5 км и глубиной 70 метров и более. Мы растапливаем его участок, начиная с 20 м под вершиной льда и спускаясь вниз на 50 м. Как уже отмечалось, это создаст надводное пространство толщиной 4 м над водой. Лед над этой пустотой будет иметь вес 7 фунтов на квадратный дюйм, поэтому мы будем заполнять пустоту кислородно-азотной газовой смесью с давлением 6,999 фунтов на квадратный дюйм. Это свело бы на нет почти весь вес, чтобы оставить ледяную крышу в чрезвычайно мягком состоянии сжатия. (Слабое сжатие предпочтительнее слабого натяжения, потому что прочность льда на сжатие составляет около 1500 фунтов на квадратный дюйм – в десять раз больше прочности на растяжение.) При таких условиях радиус кривизны нависающей поверхности может быть неограниченным. В результате будет создан герметичный и хорошо защищенный обитаемый район площадью 78 квадратных километров. Места обитания можно было бы разместить на плотах или плавучих домах на этом закрытом озере, или на ледяном шельфе, образованном, чтобы обеспечить твердый пол для обычных зданий на большей его части.

Общее количество воды, которое нужно было бы растопить, чтобы создать этот закрытый Озерный город, составило бы 4 кубических километра. Это можно было бы сделать примерно за 4 года с помощью предложенной нами энергосистемы мощностью 5 ГВт. Дальнейшее отопление будет продолжать расширять пригодный для жизни район в боковом направлении с течением времени. Если бы озеро было глубоким, так что под толщей воды был бы лед, он бы постепенно таял, увеличивая запас воды под поселением.

Терраформирование озера

Жизненная среда подледного марсианского поселения не должна ограничиваться внутренними пространствами наполненных воздухом мест обитаний. Растопив лед, мы создаем потенциал для создания живой окружающей водной биосферы, которую легко могли бы посещать марсианские колонисты в обычных гидрокостюмах и аквалангах.

Озеро плавится с помощью горячей воды, получаемой в результате отвода тепла от береговых или плавучих ядерных реакторов. Если тепло отбрасывается ближе ко дну озера, то происходит мощный апвеллинг (подъём глубинных вод к поверхности), сильно обогащающий воду озера минеральными питательными веществами.

Если предположить, что ледяной покров уменьшится до менее чем 30 метров, то в дневное время будет достаточно естественного света, чтобы поддерживать рост фитопланктона, как это наблюдалось в Северном Ледовитом океане Земли [5]. Однако первичная биологическая продуктивность озера может быть значительно увеличена за счет добавления искусственного света.

Северный Ледовитый океан проявляет высокую биологическую активность вплоть до 75 параллели, где море получает среднюю дневную/ночную круглогодичную солнечную освещенность около 50 Вт / м2. Если мы примем это за наш стандарт, то каждый ГВт нашей доступной электроэнергии может быть использован для освещения 20 квадратных километров озера. В сочетании с богатой минералами водой, получаемой в результате термального подъема, и искусственной доставкой CO2 из марсианской атмосферы по мере необходимости, это освещение могло бы служить для создания чрезвычайно продуктивной биосферы в водах, окружающих поселение.

Первыми организмами, которые будут выпущены в озеро, должны быть фотосинтетический фитопланктон и другие водоросли, включая макроскопические формы, такие как ламинария. Они будут служить для насыщения воды кислородом. Как только это будет сделано, можно выпустить животных, начиная с зоопланктона, с широким спектром водной макрофауны, потенциально включающей губки, кораллы, червей, моллюсков, членистоногих и рыб. Пингвины и морские выдры могли бы последовать за ними.

Поскольку озеро будет расти, его города будут умножаться, давая рождение новой ветви человеческой цивилизации, поддерживаемой и поддерживающей живую новую биосферу в новом мире.

Вывод

Мы считаем, что лучшие места для заселения Марса могут быть под водой. Создавая озера под поверхностью покрытых льдом кратеров, мы можем создавать миниатюрные миры, обеспечивающие приемлемое давление, температуру, радиационную защиту, объемное жизненное пространство и все остальное, необходимое для жизни и цивилизации. Подледные города Марса могли бы служить базой для исследования и развития Красной планеты, обеспечивая дом, в котором новая нация сможет рождаться и расти в размерах, технологическом потенциале и промышленном потенциале до тех пор, пока она не сможет обладать достаточной силой, чтобы выйти вперед и принять вызов по терраформированию самого Марса.

Ссылки на литературу (источники):

1. Frank Crossman, editor, Mars Colonies: Plans for Settling the Red Planet (Марсианские колонии: планы по заселению Красной планеты), The Mars Society, Polaris Books, 2019

2. Robert Zubrin with Richard Wagner, The Case for Mars: The Planet to Settle the Red Planet and Why We Must (Марс: почему мы должны заселить Красную планету), Simon and Schuster, NY, 1996, 2011.

3. Richard S. Taylor, “Paraterraforming: The Worldhouse Concept” (Паратерраформирование, концепция мирового дома) Journal of the British Interplanetary Society, vol. 45, no. 8, Aug. 1992, p. 341-352.

4. Sub Glacial Lake (подледниковое озеро), Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Subglacial_lake#Biology accessed May 15, 2020.

5. Kevin Arrigo, et al, “Massive Phytoplankton Blooms Under Sea Ice”( Массовое цветение фитопланктона подо льдом), Science, Vol. 336, page 1408, June 15, 2012 https://www2.whoi.edu/staff/hsosik/wp-content/uploads/sites/11/2017/03/Arrigo_etal_Science2012.pdf. Accessed May 15, 2020.

Это перевод статьи Sublake Settlements for Mars