Как наладить сельское хозяйство на Марсе

Вырастить картошку, поливая ее мочой, как это сделал главный герой книги и фильма «Марсианин» Марк Уотни, в реальности не выйдет. Это может убить большинство высших растений: в моче слишком много солей, да и азот находится в соединениях, которые напрямую не усваиваются растениями.

Кадр из фильма «Марсианин» (2015)

Метод получения воды из гидразина без лабораторного оборудования, применяемый Уотни, самоубийственно опасен: этот вид ракетного топлива чрезвычайно токсичен.

Воду на Красной планете можно найти и без человеческих жертв. Несмотря на то что те потоки жидкой воды, следы которых недавно представило НАСА, слишком насыщены перхлоратами, ядовитыми для растений, марсианские лавовые трубки (подповерхностные пещеры) объемом в миллионы кубических метров, по мнению планетологов, содержат значительное количество водного льда, свободного от перхлоратов или вовсе деминерализованного.

Плодородный Марс

Что с «почвой»? Группа во главе с голландским экологом Вигером Вамелинком (Wieger Wamelink) купила у НАСА образцы искусственного грунта, химически идентичные марсианскому и лунном реголиту. На них, а также на земном грунте с глубины десять метров, было посеяно значительное количество растений, в том числе обычные томаты, кресс-салат и полевая горчица.

Поливали их деминерализованной водой, соответствующей той, что можно получить из лунного и марсианского водного льда. Результаты оказались крайне неожиданными: многие растения, включая и три указанных вида, не только проросли, но и дали семена, причем лучше всего — на «марсианском» образце.

«Лунный» грунт справился хуже всех, а вот земной занял почетное второе место — и это несмотря на умеренное содержание алюминия и перхлоратов в симуляторе марсианского грунта. Опять-таки исследователи подчеркивают: поскольку азота в марсианской атмосфере практически нет, на самой Красной планете крайне желательно внесение в почву экскрементов, содержащих нужное количество этого элемента.

Горшки с «марсианским» и «лунным» грунтом

Симуляция марсианского сельского хозяйства в эксперименте выполнялась при 20°С и земной атмосфере. Группа Вамелинка полагает, что растения на Марсе будут выращиваться в закрытых стеклом (останавливающим ультрафиолет) парниках с подогревом и дополнительной ламповой подсветкой. Все это весьма далеко от того, что обещала нам некогда популярная песня: «И на Марсе будут яблони цвести».

Неподъемная целина

Раз есть грунт и вода, способные поддержать рост растений, встает естественный вопрос о том, нельзя ли распространить земные растения за пределы герметичных парников, куда придется нагнетать дополнительные газы, необходимые для обеспечения нормального давления.

Недавнее полушутливое предложение Илона Маска зажечь над полюсами Марса два искусственных пульсирующих термоядерных солнца, которые бы растопили замороженный углекислый газ, к сожалению, вряд ли реалистично. На полярных шапках, по сегодняшним данным, менее 20 тысяч кубических километров сухого льда.

Самая мощная из когда-либо созданных человеком термоядерных бомб («Кузькина мать») при взрыве испаряет меньше четверти кубического километра этого материала. Конечно, в 1960-х «Кузькину мать» взрывали, искусственно занизив ее мощность вдвое, но и без этого более 0,5 кубокилометра она не испарит.

Mars Colonial Transporter в представлении художника

Самая мощная из проектируемых сегодня ракет просчитывается тем же Илоном Маском для проекта Mars Colonial Transporter. Однако и она не сможет доставить к Марсу больше 100 тонн грузов за раз, что примерно равно весу четырех вышеупомянутых родственниц Кузьмы.

Растопка всего двух кубических километров сухого льда на одну сверхтяжелую ракету означают, что реализация плана Маска потребует до десяти тысяч рейсов (миллиона тонн бомб).

Напомним, доставка тонного «Кьюриосити» на Марс обошлась в сотни миллионов долларов, и даже если SpaceX удастся снизить цену доставки в десять раз, термоядерная весна на Марсе обойдется человечеству в 100 триллионов долларов. Нет ли способа подешевле?

Готовые марсиане

Летом этого года на Американском конгрессе микробиологов Ребекка Микол (Rebecca Mickol) из Университета Арканзаса сообщила о забавном эксперименте: четыре чрезвычайно распространенных вида анаэробных бактерий были подвергнуты давлению в 0,006 земного, что соответствует условиям на поверхности Марса.

Как оказалось, все эти организмы без спорообразования способны выносить такие изменения и не утратить свою способность к выработке метана.

Ранее те же виды, включая Methanosarcina barkeri уже показали, что им не страшны и крайне резкие колебания температуры, и среды с высоким содержанием перхлоратов, а иные из земных бактерий успешно питаются этими самыми перхлоратами, ядовитыми для нас с вами.

Methanosarcina barkeri

Что важно, все эти бактерии вырабатывают метан, а Methanosarcina barkeri — еще и углекислый газ. И первый и второй — мощные парниковые газы, способные резко снизить потерю тепла на поверхности планеты.

Увы, это не значит, что нам достаточно занести на Красную планету M. barkeri и умиротворенно наблюдать за тем, как она ее терраформирует. Дело в том, что большинство таких анаэробов требует водорода, которого там вряд ли много.

Наконец, на Марсе уже обнаружены области, где подозрительно много углекислого газа (всемеро больше нормы) и иногда появляется метан. Ряд ученых винит в этом именно возможных марсианских аналогов M. barkeri. Если они все еще не террафомировали Марс без нашей помощи, значит, им попросту не хватает питательных веществ — например, того же водорода.

В теории можно было бы попробовать создать методами генной инженерии бактерию, питающуюся перхлоратами и такую же устойчивую к марсианским температурам и давлениям, как M. barkeri, но на практике говорить о реалистичном сценарии микробного парникового эффекта, который сделал бы Марс таким же теплым, как Земля, пока рано.

Большая химия

И тем не менее ничего сверхъестественного в том, чтобы сделать открытую марсианскую поверхность пригодной для земных растений, нет. В настоящий момент парниковый эффект нагревает Марс (в сравнении с безатмосферным вариантом) лишь на пять кельвинов, в то время как в Солнечной системе есть примеры планет, получающих от парниковых газов нагрев в сотни кельвинов.

Правда, пока таких газов на Марсе мало: даже растопив весь сухой лед на полюсах, парниковый эффект можно максимум удвоить, что не даст радикального роста планетарной температуры.

Однако выход есть. Ряд газов не пропускают инфракрасное излучение в гораздо более широким диапазоне, чем углекислый газ или метан. Низшие хлорфторуглероды сильно блокируют его волны длиной от 7,8 до 15,3 микрометров, из-за чего парниковый эффект от них до 30 тысяч раз сильнее, чем от такого же количества углекислого газа.

Сколько конкретно хлорфторуглеродов будет нужно для нагрева до таяния полюсов — сложный вопрос, зависящий от того, сколько именно замерзшего углекислого газа лежит под поверхностью Красной планеты. Поскольку исследование ее глубин еще не начиналось, количественные оценки объемов льда резко разнятся.

Полярный лед на Марсе

По наиболее оптимистичным расчетам, даже 40 миллионов тонн этих веществ хватит для того, чтобы растопить не только углекислый газ полярных шапок, но и ту часть сухого льда, что содержится в поверхности остальных районов планеты.

Таяние всего этого массива увеличит плотность атмосферы до 0,3 от земной, что в несколько раз выше предела Армстронга — точки, при которой слюна начинает закипать на языке при 37°С.

При этом будет достигнута не только возможность ходить по планете без скафандра, но и парниковый эффект, достаточный для того, чтобы поверхность Марса в тропиках и на экваторе ночью не подвергалась сильным морозам.

Но и 40 миллионов тонн — это слишком много, чтобы их можно было доставить с Земли. Это всего в 60 раз больше среднего уровня производства низших хлорфторуглеродов на Земле, где их до 1992 года использовали при производстве аэрозольных баллончиков. Организовать на Марсе высокороботизированное химическое производство не так сложно, как кажется, — удельный вес фтора и его соединений в местном грунте в полтора раза больше, чем на Земле.

Проект марсианского парника

И все равно речь идет о создании там большой химической индустрии, которой придется десятилетиями работать в непрерывном режиме. Даже если начать ее работу прямо сейчас, углекислый газ на Марсе растает полностью лишь к 2075 году. Но и после этого заводы не стоит останавливать: чтобы растопить весь водный лед на планете, понадобится, по разным оценкам, как минимум столько же времени.

Теоретически уже с момента таяния сухого льда Марс станет пригодным для некоторых земных растений. Еще в 1970-е было показано, что отдельные водоросли нормально себя чувствуют в чистом углекислом газе, безо всякого кислорода. Сходные качества имеются и у цианобактерий.

В принципе, после достижения плюсовых температур такие организмы могут начать производство кислорода в промышленных масштабах. Но чтобы эта схема работала, потребуется огромное количество времени — быть может, до 100 000 лет. Что же, нам так и не увидеть планету зеленой?

Бросить бутылку

Кое-что можно сделать уже сейчас. Немецкое аэрокосмическое агентство в 2012 году обнаружило, что арктический лишайник ксантория элегантная вполне может фотосинтезировать в условиях низких широт Марса (от +20 до -50°С). В ходе эксперимента, длившегося 34 дня, лишайник не только сохранил жизнеспособность, но и демонстрировал фотосинтез в те моменты, когда симулируемые марсианские сутки обеспечивали ему температуру выше нуля.

Похоже, что несмотря на давление в полторы сотни раз меньше земного, принципиально чуждую атмосферу, радиацию и даже ультрафиолет, некоторые земные фотосинтетические организмы поблизости от жидкой воды вполне могут существовать на Марсе уже сейчас.

Лишайник P. chlorophanum на почве, аналогичной марсианской

Такую возможность надо проверить. Именно поэтому в НАСА в настоящее время прорабатывается инициатива Mars Ecopoiesis Test Bed. В ее рамках на четвертую планету Солнечной системы планируют отправить контейнер размером с небольшую бутылку, оснащенный прозрачной крышкой.

Спускаемому аппарату потребуется вкрутить такую «бутылку» с открытым дном на несколько сантиметров в грунт в тех районах, где наблюдаются периодические потоки соленой воды, и дать местной «почве» попасть внутрь объекта.

По мере того как местность рядом с бутылкой будет проходить через точку замерзания воды, дно устройства пропустит жидкую воду внутрь, позволяя находящимся внутри организмам использовать ее.

В экспериментальную миниканистру поместят экстремофильные водоросли и цианобактерии, которым дадут возможность на месте доказать свою способность к фотосинтезу под ультрафиолетом и прочими марсианскими прелестями.

Контейнер Mars Ecopoiesis Test Bed

На следующем этапе этой же программы НАСА планирует создать более крупные герметичные строения, накрытые сверху, но свободно получающие снизу воду и грунт для своих фотосинтетических организмов.

В таких закрытых минибиосферах можно будет нарабатывать кислород, который в перспективе пригодится астронавтам, приземляющимся на Марс.

Кислородные биофабрики теоретически могут существенно облегчить жизнь прибывающим астронавтам, избавив их от необходимости везти с собой запасы кислорода с Земли.

В ожидании сверхдержавы

Рассуждая реалистично, ожидать следует лишь осуществления первого пункта Mars Ecopoiesis Test Bed. Он потребует посылку к Марсу примерно тонны полезного груза, что сопоставимо с марсоходными миссиями.

Иными словами, в ближайшие десятилетия мы, скорее всего, достоверно узнаем, есть ли у нас возможность в изолированном пространстве терраформировать кусочек другой планеты земными организмами.

Более масштабных акций — той же посылки астронавтов — пока ожидать не стоит. НАСА планирует лететь к Марсу так же, как к Луне, — то есть на одноразовых ракетах, возможно, лишь с помощью ионных двигателей. Полеты к Луне стоили более 150 миллиардов долларов, а путешествие к Марсу по техническим причинам обойдется в несколько раз дороже.

Ситуация может измениться лишь в случае реализации наполеоновских планов Илона Маска, но когда речь идет о влиянии личности на историю, очень сложно заранее прогнозировать, воплотятся ли его грандиозные проекты.

Практически невозможно себе представить, что американские власти смогут выделить на покорение Марса средства, равные годовому военному бюджету США. Чего-то подобного можно ожидать только если за дело возьмется другая сверхдержава, которая инициирует гонку престижа.

Однако сейчас не 1960-е, других сверхдержав на планете нет и, очевидно, до их появления откладываются как пилотируемые экспедиции к Марсу, так и первые попытки его терраформирования.