Александр Майборода Терраформирование, то есть преобразование экосистем других планет с целью сделать их пригодными для жизни людей, в последнее время всерьез рассматривается многими экспертами. Терраформирование Марса может занять несколько тысяч лет. Считается, что с помощью современных технологий терраформирование Марса невозможно. Серьезная проблема терраформирования Марса – повышение давления и насыщение атмосферы кислородом с одновременным удалением избыточного диоксида углерода. Однако под современными технологиями, как правило, понимаются разрешенные технологии, то есть технологии, не имеющие политических и экологических ограничений. За пределами Земли – на Марсе и других небесных телах – известные ограничения, например, на применение взрывной ядерной энергии теряют смысл.
Термолиз базальтов
Рассмотрим возможность создания кислородной атмосферы методом термолиза базальта за счет энергии ядерных взрывов. Известен метод Краффта Эрике, который останавливает реокисление кислородом кремния и металлов при остывании плазмы из базальта в подземной полости ядерного взрыва. Метод основан на выбросе неостывшей плазмы в заранее созданную соседнюю полость, в которой происходит ее резкое охлаждение за счет быстрого расширения (см. подробнее в «НГ-наука» от 12.03.25).
На Марсе может быть реализован более простой способ – выброс плазмы из неглубокой полости ядерного взрыва непосредственно в атмосферу и ее быстрого охлаждения в результате резкого расширения. Этот способ может сочетаться со смешением плазмы с раздробленным грунтом верхних слоев над очагом взрыва. Согласно расчетам при взрывах ядерных зарядов может образовываться до 1 млн т кислорода на каждые 8 Мт в тротиловом эквиваленте мощности.
Дополнительный бонус – на месте взрывов возникают залежи кремния и металлов в смеси с оксидами. Такие искусственные месторождения – ценный ресурс для промышленного развития марсианских колоний.
Плотность атмосферы Марса в 61 раз меньше плотности земной атмосферы. Давление в 159 раз меньше. Масса марсианской атмосферы – 2,5 х 1016 кг. Увеличение ее плотности в 53 раза за счет кислорода уже может быть достаточным для дыхания без кислородных масок. Такое давление позволяет без вреда дышать чистым кислородом. Тогда масса добавленного в атмосферу кислорода составит 1,325 х 1018 кг. Эквивалентная масса кислорода содержится приблизительно в 3,3 х 1018 кг базальта.
При плотности базальта 3100 кг/куб. м данный объем базальта составит, округленно, 1 млн куб. км. Для наглядности – это базальтовый куб с ребром около 102 км или плато в форме диска с диаметром 1170 км и толщиной 1 км. Сравним: объем марсианского вулкана Олимп примерно 2,3 млн куб. км.
Как источник металлов и кремния карьер следует разделить на участки, которые следует разместить в разных местах Марса. Если использовать 10 карьеров, то каждый из них будет представлять площадку размером приблизительно 330 х 330 км.
Бор-водород
Для термолиза базальта придется использовать ядерные заряды, которые используют реакцию синтеза изотопов гелия или бора с водородом. Поскольку сегодня и в обозримом будущем не наблюдаются доступные источники изотопов гелия-3, то следует рассчитывать на использование термоядерных зарядов с топливом «бор–водород». Реакция этого типа не создает радиоактивных продуктов при открытом применении взрывов. Эта реакция требует температуры около миллиарда Кельвинов, что почти в 10 раз больше, чем для реакции на основе дейтерия и трития.
Однако то, что является проблемой для управляемого термоядерного синтеза, не является таковой для взрывной термоядерной реакции. В типовых термоядерных зарядах температура увеличивается до 300–400 млн градусов, что ниже требуемого уровня для топлива из бора и водорода. Вместе с тем технически несложно организовать вторую ступень кумулятивного обжатия, которая действует за счет энергии уже не ядерного, а термоядерного заряда, и поднять температуру топлива до 1 млрд градусов Кельвина.
Есть другая проблема – наличие ресурсов термоядерного топлива в виде бора на Марсе.
Оценим потребность в топливе для ядерных зарядов. Получение кислорода массой 1,325 х 1018 кг требует использования ядерных зарядов мощностью 1,06 х 1019 кг в тротиловом эквиваленте. Удельная мощность зарядов с топливом из дейтерия – 65 кт на 1 кг массы дейтерия при полной реакции синтеза всего топлива. Типовая удельная мощность для средних зарядов – 30 кт/кг. Если проводить оценку для зарядов с дейтерием, то минимальная масса дейтерия составит 1,63 х 1011 кг или 163 млн т. Энергия, получаемая в реакции бор–водород, вдвое меньше энергии, полученной в реакции дейтерий–тритий, поэтому масса топлива в виде бора составит 326 млн т.
Для инициирования реакции бор–водород требуется заряд на основе дейтерия. Масса его может быть на порядки меньше. Дейтерий имеется в марсианской воде в количестве, превышающем в шесть раз уровень содержания в земной воде. Инициирование реакции синтеза дейтерия, в свою очередь, требует заряда из урана или плутония. Масса делящегося материала также относительно невелика – в промышленных ядерных зарядах средней мощности на долю реакций деления приходится лишь 1/700 общего количества энергии. При мегатонной и гигатонной мощности эта доля пропорционально сокращается, стремится к нулю в относительном масштабе.
Для получения необходимых изотопов урана и плутония имеются технологии промышленных подземных взрывов (типа проекта «Гном») и также взрывных теплоэлектростанций, которые могут применяться и на Марсе. Исходное сырье – природный уран и торий. На Марсе обнаружены маркеры месторождений тория. На начальном этапе терраформирования пусковые порции тория, природного урана и дейтерия могут поставляться с Земли.
Бор также присутствует на Марсе. В 2013 году высокая концентрация бора обнаружена в составе марсианского метеорита, найденного в Антарктиде. Известно, что в 2016 году марсоход «Кьюриосити» обнаружил бор на поверхности Марса. Предполагается, что его месторождения образовались из-за химических взаимодействий марсианских почв и потоков воды, протекавших по ним в прошлом.
Сколько бора в марсианской воде? Точных данных еще нет, но считается, что марсианские условия обеспечили более благоприятные условия для наличия минералов с бором на поверхности. Поэтому содержание бора в земной коре и воде можно считать эталоном. Так, среднее содержание бора в земной коре составляет 4 г/т. Бор обнаружен в нефтяных и морских водах, в водах соляных озер, горячих источников и грязевых вулканов. В морской воде его содержание 4,6 г/куб. м. Масса Мирового океана – около 1,34 х 1021 кг. Соответственно в земном океане находится около 6,164 х 1015 т бора.
По некоторым данным, общий объем водных ресурсов Марса составляет примерно 65 млн куб. км. Этого могло бы хватить, чтобы покрыть поверхность Красной планеты слоем воды толщиной 35 м. По аналогии с земной водой в воде на Марсе, возможно, имеется 3 х 1014 кг бора или 300 млрд т. В качестве термоядерного топлива требуется 326 млн т бора или около 0,1% от возможных запасов в воде на Марсе.
Для начальной добычи бора из воды представляет интерес геологическое образование Медузовые борозды (MFF). Анализ радиолокационных данных со спутника Mars Express показал, что имеется слой пыли, который, по всей видимости, скрывает мощный пласт водяного льда. Предполагаемое количество льда в этих горах, образующих MFF, указывает на толщину ледяных отложений до 3000 м.
Толщина слоя сухого материала (возможно, пыли или вулканического пепла), накрывающего лед, варьируется от 300 до 600 м. При толщине слоя пыли в 600 м общий объем замерзшей воды, содержащейся в MFF, достигнет 220 000 куб. км, что при таянии создаст покрывающий весь Марс океан глубиной 1,5 м. Исходя из земной аналогии содержание бора в данном объеме воды можно оценить в 1012 кг или 1 млрд т при потребности в 326 млн т. Таким образом, ресурсы MFF полностью обеспечивают потребность в топливе для экологически безопасных термоядерных зарядов.
Счетчик включен
Поскольку технически возможные темпы добычи термоядерного топлива являются основным фактором применения ядерных зарядов для модификации атмосферы, то можно предварительно оценить возможное время терраформирования планеты. При наличии фильтровальной установки, с пропускной способностью 1 т воды в секунду, батарея из 10 тыс. установок ежесекундно будет извлекать до 46 кг бора (при полном извлечении). Тогда за один земной год максимальная масса бора составит 1 450 000 т. С учетом неполного извлечения реальная масса составит 1 млн т ежегодно. Соответственно время терраформирования составит 326 лет.
Разумеется, темпы добычи бора могут постоянно наращиваться. Если с учетом роста добычи средняя величина ежегодного извлечения бора за весь период составит 3,3 млн т, то терраформирование может быть завершено за 100 лет вместо 1000, как предполагают эксперты по традиционному терраформированию. Оно исключает применение термоядерных зарядов. Вполне возможно, что период полной модификации атмосферы может быть сокращен и до 50 лет или даже до 30. Однако эта теоретическая возможность ограничивается максимально допустимой мощностью взрывов, которая не должна создавать на планете сейсмические и атмосферные колебания, дискомфортные для имеющихся колонистов.
Если в течение года расходуется 3,3 млн т бора, то ежесекундный расход равен около 100 кг. При удельной мощности 30 кт на 1 кг бора совокупная мощность терраформирующих взрывов составит 3 Мт/с.
Для ежегодного расхода бора в 10 млн т, с выделением тротилового эквивалента мощности равного 10 Мт/с, необходимо увеличить до трех и более десятков количество ядерных полигонов. В данном варианте терраформирование в части модификации атмосферы может быть завершено за 33 года. При равномерном рассредоточении ядерных полигонов по поверхности планеты сейсмические возмущения в районах расположения колоний будут ниже порога дискомфорта.
В результате ядерного терраформирования на Марсе будет создана атмосфера из кислорода с примесями преимущественно аргона, азота, диоксида углерода и водяных паров. Атмосферное давление – приблизительно одна треть от давления земной атмосферы на уровне моря.
Некоторое дополнительное количество азота выделится из почвы при потеплении и увлажнении грунта. В 2015 году марсоход Curiosity обнаружил на Марсе следы связанного азота в виде нитратов. Нитраты входят в состав практически всех исследованных типов грунта, их содержание колеблется от 0,1 до 1%. Многие из этих соединений нестабильны и разлагаются при увеличении температуры.
Доля углекислого газа в новой атмосфере будет постепенно сокращаться – диоксид углерода будет поглощаться водами марсианских морей, вымываться дождями. Естественное и искусственное (в результате взрывов) выветривание базальта также приведет к поглощению атмосферного диоксида углерода. Неизбежное поглощение диоксида углерода показывает неполноту имеющихся планов по простому увеличению плотности атмосферы за счет испарения замерзшего диоксида углерода.
Ядерное терраформирование Марса требует минимальной индустриализации. Основное оборудование – агрегаты по растапливанию и фильтрации соединений бора из воды, выделению и очистки бора, выделению из воды водорода и дейтерия, фабрики по производству корпусов ядерных зарядов… Масса этого оборудования значительно меньше, чем для традиционного тысячелетнего терраформирования. В тысячелетнем варианте требуются фабрики по производству парниковых газов, которые либо будут отправлены на Марс, либо будут уже созданы на поверхности планеты.
Для доставки этих машин на Марс они должны быть легкими и эффективными. Парниковые машины будут имитировать процесс фотосинтеза, поглощая углекислый газ и воду и выделяя кислород. В дополнение к парниковым машинам будут использоваться фотосинтезирующие бактерии. Пройдут столетия, пока атмосфера Марса наполнится кислородом, благодаря чему колонисты смогут избавиться вначале от скафандров, а затем и от дыхательных аппаратов. Очень медленный путь в сравнении с ядерным терраформированием.
Таким образом, человеческая цивилизация располагает технологией, необходимой для терраформирования Марса в обозримом будущем. В течение 30–50 лет человечество обретет космический остров площадью 144,37 млн кв. км, что почти равно площади суши Земли. Половина населения Земли проживает в городах. Площадь городов составляет 1% поверхности нашей планеты. Соответственно и на обновленном Марсе найдется место для поселений с числом жителей, достигающим численности земного человечества.
Константин Ремчуков