Miten Marsista tehdään asuttava: haasteet ja aikataulu

Kuvittele seisovasi ruosteenpunaisella tasangolla ja katsovasi, kun sade alkaa ensimmäistä kertaa. Vesi imeytyy maaperään, joka oli ollut pysyvästi jäässä vuosituhansien ajan. Se on kohtaus, joka elää tieteiskirjallisuudessa ja monien planeettojen tutkijoiden toiveissa. Todellisuus on paljon itsepintaisempi.

Realistinen kuva täysin terraformoidusta Marsista. 

Viisi virstanpylvästä pitkällä tiellä

Kun insinöörit puhuvat Marsin elinkelpoiseksi tekemisestä, he eivät tarkoita yhtä ainoaa maaliviivaa. Sen sijaan on useita erillisiä virstanpylväitä, jotka merkitsevät edistystä — jokainen niistä on eksponentiaalisesti vaikeampi kuin edellinen. Käytännöllinen tiekartta käyttää usein viittä vaihetta.

Askeleet kohti asuttavuutta

• Nykyinen Mars: kylmä, ohut ilmakehä ja vihamieliset pintaehtoiset olosuhteet, jotka pakottavat ihmiset asumaan paineistetuissa asunnoissa ja käyttämään elinvoimasuitteja ulkona.
• Ohimenevä nestevesi: pinta-pa pressureen nostaminen veden triple pointin yläpuolelle (noin 6,1 millibaaria 0 °C:ssa), jotta vesi voi esiintyä, edes lyhyesti, nestemäisenä pinnalla.
• Paraterraformaus tai paidanhihaiset kasvihuoneet: suljetut alueet, joiden sisäpaine ja lämpötila ovat korkeammat, jolloin laajamittainen maatalous ja mukava asuminen ovat mahdollisia ilman koko planeetan muuttamista.
• Globaali paine, joka estää kehon nesteiden kiehumisen normaaleissa ihmislämpötiloissa — noin 62,7 millibaaria — fysiologinen askel kohti laajempaa ihmisten liikkumavapautta ilman erityisvarusteita.
• Todella hengitettävä ilmakehä: paksu, typpipitoinen vaippa, jossa on noin 210 millibaaria happea osana kokonaispainetta lähellä 500 millibaaria ja paljon lämpimämmät globaalit lämpötilat.

Jokainen näistä vaiheista on merkityksellinen, koska ne muuttavat sitä infrastruktuuria, joka ihmisten on rakennettava, tarvittavaa energiaa ja aikajanaa kohti omavaraisuutta. Ensimmäiset kaksi ovat pelottavia mutta paikallisesti saavutettavissa. Viimeiset kaksi vaativat planeetallisia interventioita.

Massa ja lämpötila: ilmakehän aritmetiikka

Luvut selventävät fantasioita. Lisätäksesi Marsiin vain 1 millibaarin ilmapainetta, sinun on toimitettava noin 3,89 × 10^15 kilogrammaa kaasua. Se on lähes Deimoksen, Marsin pienemmän kuun, massa. Hengitettävän ilmakehän kokoon kasaamiseksi vaadittu massa paisuu noin 10^18 kilogramman luokkaan — verrattavissa joihinkin aurinkokunnan ulkopuolisten alueiden pieniin kuita.

Lämpötila on toinen armoton muuttuja. Globaalisti stabiili nestevesi vaatisi Marsin keskilämpötilan nostamista noin 60 °C:lla. Ehdotetut insinööriratkaisut vaihtelevat ilmaa absorboivien hiukkasten ruiskuttamisesta ilmakehään hiilidioksidin uudelleensuuntaamiseen tai massiivisten kiertävien peilien rakentamiseen auringonvalon keskittämiseksi. Mutta mittakaava on huimaava: laskelmat viittaavat siihen, että tarvittaisiin noin 70 miljoonan neliökilometrin peilipinta-ala tarjotakseen vaaditun auringonsäteilylisäyksen, valmistus- ja käyttöönottohaaste, joka ylittää nykyisen globaalin teollisuuden.

Hapen tuotanto lisää vaikeuskerrointa. Saavuttaakseen ilmakehän, jossa veri ei kiehu ja jossa ihmiset voivat hengittää helpommin, tarvitaan noin 8,2 × 10^17 kilogrammaa happea. Suorin lähde on vesi, joka splitataan vedyksi ja hapeksi. Tämä muunnos menettää massaa poistuvan vedyn vuoksi, joten veden tarve nousee vieläkin korkeammaksi — keskimäärin noin kuusi kuutiometriä vettä per neliömetri Marsin pintaa kohti.

On pieni hyvä uutinen: tutkijat arvioivat, että Marsin saavutettavissa oleva pinta-jää voisi tarjota suuren osan tarvittavasta vedestä hapepitoisen ilmakehän luomiseen. Toisin sanoen meidän ei tarvitsisi suunnitella lukuisia komeettojen törmäyksiä tuomaan vettä muualta aurinkokunnasta. Silti, vaikka raaka-aineita löytyisikin paikallisesti, niiden kerääminen ja käsittely planeetan mittakaavassa pysyy valtavana teknisenä ja logistisena ongelmana.

Energia: liikkumaton raja

Massa ja materiaalit ovat haastavia mutta käsitteellisesti ratkaistavissa, jos voidaan käyttää riittävästi energiaa. Energia on todellinen pullonkaula. Hapentuotantoon hengitettävää ilmakehää varten tarvitaan suunnassa 1,2 × 10^25 joulea. Levitettynä vuosituhannelle tämä vastaa suunnilleen jatkuvaa tehoa noin 380 terawattia. Vertailun vuoksi ihmiskunnan nykyinen kokonaistehon kulutus on noin kaksikymmenesosa tästä tasaisesta tasosta.

Suoraan sanoen: vaikka tulevat sukupolvet sitoutuisivat tuhannen vuoden ohjelmaan jatkuvaa työtä, heidän täytyisi tuottaa ja omistaa energiavirtaus, joka on huomattavasti yli nykyisten globaaliyhteyksien. Uudet, massiiviset energialähteet olisivat välttämättömiä — ajattele laajamittaisia avaruusperustaisia aurinkopaneelijärjestelmiä, kehittynyttä fuusiota tai muita vielä kypsymättömiä teknologioita.

Energiaeste selittää myös, miksi vaiheistetut lähestymistavat ovat houkuttelevia. Pienten, korkean hyötysuhteen asumusten ja paraterraformauskuplien rakentaminen voi tuottaa välittömiä, paikallisia hyötyjä ilman yritystä muuttaa koko planeettaa. Nämä inkrementaaliset projektit toimivat laboratorioina suuremmille fysiikan ja insinöörityön haasteille samalla kun ne tarjoavat asuttavaa tilaa asukkaille.

Asiantuntijan näkökulma

"Terraformaus ei ole yksittäinen insinööriprojekti; se on sivilisaation mittakaavan hanke," sanoo tohtori Elena Morales, planetaarinen tiedemies, joka on työskennellyt ilmakehämallinnuksen parissa missiosuunnittelijoille. "Voimme tehdä Marsista asumiskelpoisia taskuja vuosikymmenten kuluessa, mutta koko planeetan muuttaminen Maata muistuttavaksi vaatii kertaluokkaa enemmän massaa ja energiaa. Se tarkoittaa pitkiä aikatauluja, jatkuvaa poliittista tahtoa ja tekniikoita, jotka ovat todennäköisesti vasta muutaman vuosisadan päässä."

Hänen arvionsa heijastaa myös Slava Turyshevin äskettäistä analyysiä NASA:n Jet Propulsion Laboratoryssa, julkaistuna APS Open Science -julkaisussa, joka pilkkoo näiden väitteiden taustalla olevaa aritmetiikkaa ja fysiikkaa. Yhteenveto: paikallinen sopeutuminen ja tehokkaat, vakaat energialähteet ovat vipuja, jotka määrittävät, pysyykö terraformaus ajatuksen tasolla vai muuttuu monisukupolviseksi hankkeeksi.

Yhteenveto

Voimme sanoa luottavaisin mielin, että Marsin tekeminen Maata muistuttavaksi ei ole fysiikan vastaisesti kiellettyä. Raaka-aineet ovat olemassa ja prosessit tunnetaan perusperiaatteissaan. Puuttuva tekijä on keskittynyt energia ja teollinen kapasiteetti liikuttaa ja muuttaa planeetan mittakaavan massoja. Inkremetaariset strategiat — paraterraformaus, kupolit ja alueellinen ilmastonmuokkaus — ovat sekä realistisia että tarpeellisia ensimmäisiä askeleita.

Terraformaus Marsista on fysikaalisesti mahdollista, mutta käytännössä todennäköisesti kestää vuosisatoja, ellei energia- ja valmistusalan mullistuksia tapahdu.

Se tosiasia ei vähennä Marsin viehätystä. Se muotoilee tavoitetta uudelleen. Jos tulevat tutkijat ovat kärsivällisiä, järjestelmällisiä ja kekseliäitä, Punainen planeetta saattaa eräänä päivänä kantaa sinistä, missä tänään on vain punaista.