Terraformacja Marsa. W obliczu niemożliwego

Pytania o przemianę Marsa na ziemskie podobieństwo nie jest nowe, ale raport NASA oparty o badania sondy MAVEN, rzuca na nie nieco nowego światła. A właściwie cienia, bo świeże dane nie napawają optymizmem.

Ostatnie analizy dowodzą, że powierzchnia Czerwonej Planety więzi znacznie mniej CO2 niż się dotąd spodziewano. To gigantyczny problem, bowiem najczęściej powtarzane propozycje zakładały, że terraformacja Marsa zostanie dokonana poprzez podniesienie tamtejszej temperatury, co z kolei doprowadzi do uwolnienia dużych ilości dwutlenku węgla, co jeszcze podniesie temperaturę i zagęści atmosferę. Nic dziwnego, że po niedawnych doniesieniach w środowisku naukowym zawrzało. Media, zdając się na ekspertów z NASA obwieściły nierealność terraformowania Marsa, zaś entuzjaści kosmicznej kolonizacji podjęli zawziętą polemikę, próbując złagodzić niepokojące prognozy. Ja sam niezmiennie pozostaję sceptykiem, toteż nie poczułem większego rozczarowania czy zdziwienia. O ile mam nadzieję, że dożyję momentu odbicia ludzkiej stopy w czerwonym regolicie, o tyle próbę zmiany klimatu i atmosfery Marsa zawsze uważałem za wyzwanie dla pokoleń z przyszłej epoki technologicznej.

Jednak zanim przejdziemy do problemów wysuniętych w raporcie NASA – postaram się streścić najczęściej przedstawiane pomysły na ujarzmienie niegościnnej planety. W ten sposób będzie nam łatwiej pojąć nierealność ich założeń, w świetle aktualnego stanu wiedzy.

Większe ciśnienie lekarstwem na wszystko

Klucza do transformacji Marsa w przytulną, lub przynajmniej mniej zabójczą planetę, upatrywano w efekcie cieplarnianym. Zjawisko tak nielubiane w ziemskich warunkach – sprowadzające na nasze głowy żar, powodzie i huragany – powinno skutecznie rozruszać skostniały glob. Na pierwszy rzut oka nie powinien tu istnieć żaden kłopot. Atmosfera naszego planetarnego sąsiada składa się w aż 95% procentach z dwutlenku węgla, a więc popularnego gazu cieplarnianego. W naszym powietrzu stężenie CO2 ledwo przekroczyło 0,04%, co już wystarczyło do zasiania niemałego zamętu. Sęk w tym, że choć procentowy udział dwutlenku węgla w marsjańskiej atmosferze robi wrażenie, sama atmosfera jako całość pozostaje tak rozrzedzona, że ostatecznie nie wywołuje to żadnych skutków. Zadaniem kolonizatorów miałoby być zatem nie tyle zwiększenie stężenia gazów cieplarnianych, co ogólne pogrubienie gazowej kołdry otulającej Czerwony Glob.

Oto jak prezentuje się sytuacja wyjściowa. Gdybyś przebywał nocą w okolicy marsjańskiego równika, zastałbyś mróz porównywalny z antarktycznymi rekordami. W dzień rozmroziłoby Cię sympatyczne ciepełko, jednak nie nacieszyłbyś się nim zbyt długo w związku z ciśnieniem atmosferycznym nieprzekraczającym 10 hPa (hektopaskali) lub jak kto woli 10 mbar (milibarów). Dla porównania: dzisiejsze ciśnienie ziemskiej atmosfery w Polsce wyniosło 1016 hPa. Zatem, marsjańska otoczka gazowa nie dobija nawet do 1% gęstości drogocennego powietrza, którym masz szczęście oddychać w tym momencie.

Atmosfera Marsa

Wcale nie potrzeba nowych danych aby widzieć wyraźnie, jak przepotężny wysiłek czeka ludzkość, jeśli ta pokusi się o złagodzenie marsjańskich ekstremów. A jest to absolutnie niezbędne. Nie chodzi nawet o oddychanie, ponieważ przy takim składzie atmosfery potencjalni mieszkańcy i tak będą skazani na maski tlenowe. Wysokie ciśnienie pozwoliłoby jednak na pozbycie się, lub przynajmniej “odchudzenie” kombinezonów, zmniejszyłoby ogromne wahania temperatur i w jakimś stopniu zwiększyłoby ochronę przed szkodliwym promieniowaniem docierającym ze Słońca i z głębi kosmosu (kwestia promieniowania pozostaje szalenie istotna w kontekście terraformowania Marsa, ale nie chciałbym jej tutaj zgłębiać. Temat ten poruszyłem w innym artykule).

I jeszcze jedno. Bardzo niskie ciśnienie w praktyce uniemożliwia istnienie wody w stanie ciekłym. Co prawda w ostatnim miesiącu sonda Mars Express ujawniła zbiornik ciekłej wody, jednak znajduje się on pod ziemią, czy raczej pod lodowcem. Na powierzchni jezioro wyparowałoby w ciągu godzin lub dni. A to pokrzyżowałoby nasze ambitne plany.

Marsjański CO2

Remedium na całe zło wydaje się więc zagęszczenie atmosfery, przy zachowaniu przewagi gazów cieplarnianych. W pewnym sensie chodzi tu o odrestaurowanie Marsa, bo przecież nauka posiada dowody świadczące o istnieniu na jego powierzchni wody w stanie płynnym, przed miliardem lat. Skoro niegdyś tamtejsza atmosfera była dostatecznie okazała, a temperatura odpowiednio wysoka, to istnieje cień szansy na przywrócenie dawnych warunków. A właściwie istniał, zgodnie z nieaktualnymi przewidywaniami.

Czapa polarna na Marsie

Do tej pory astronomowie snuli podejrzenia, iż ogromne złoża CO2 pozostają uwięzione w rdzawej powierzchni Marsa. Drugi wielki rezerwuar tego gazu miały stanowić czapy polarne w okolicach biegunów. Od czasów zdjęć wykonanych przez wystrzeloną w 1964 roku sondę Mariner 4, uczeni żywili nadzieję, że marsjańskie lodowce to po prostu suchy lód – zestalony w niskiej temperaturze i ciśnieniu dwutlenek węgla. Nawet w dwóch książkach pochodzących z końca lat 90., które mam teraz pod ręką, autorzy wyrażają właśnie takie przekonanie (patrz: literatura uzupełniająca).

Gdyby te życzenia się ziściły, sytuacja byłaby komfortowa. Oczywiście terraformowanie wciąż stanowiłoby nieprawdopodobne wyzwanie, ale przynajmniej od strony teoretycznej posiadalibyśmy pewny punkt zaczepienia. Jako się rzekło, kluczem do okiełznania planety jest efekt cieplarniany, którego tak obawiamy się w kontekście Ziemi. Ale jak go osiągnąć w pustym, martwym i odległym świecie? Czy zwolennicy budowy marsjańskich osiedli mieli plan na transport lub wyprodukowanie ogromnych ilości gazów, które zwielokrotniłyby gęstość atmosfery całej planety i podniosły temperaturę o kilkadziesiąt stopni? Oczywiście, że nie! Na co dzień emitujemy CO2, spalając wspólnymi siłami kolejne tony organicznych paliw kopalnych – czego na obcej planecie przecież nie zrobimy. 

Optymistyczne założenia

Zgodnie z dawnymi przewidywaniami, wystarczyłoby podgrzać wybrane sektory Marsa zaledwie o 4 stopnie. Rzecz jasna podniesienie temperatury dużego terenu choćby o stopień nie jest łatwe, ale nie wydaje się niemożliwe. Według obliczeń Roberta Zubrina (na fotografii poniżej) i Chrisa McKaya, przekroczenie tego progu rozpoczęłoby efekt domino. Najpierw doszłoby do odparowywania CO2 z powierzchni czap polarnych, co samo w sobie wprowadziłoby do powietrza więcej gazów cieplarnianych niż jest w stanie w krótkim czasie wyprodukować człowiek. To znów podkręciłoby temperaturę, przyśpieszyło znikanie lodowców i w końcu zainicjowałoby uwolnienie dwutlenku węgla zamkniętego w zmarzniętym regolicie. W swojej książce z 1997 roku, Zubrin teoretyzuje:

Wydzielenie się dwutlenku węgla z całego regolitu bardzo znacząco zwiększyłoby ciśnienie atmosferyczne, być może do wartości 30% ciśnienia na Ziemi, czyli do wysokości 300 mbar (prawie 1/3 bara). Ogrzanie planety spowoduje uwolnienie ogromnych zasobów uwięzionego dwutlenku węgla. (…) Mogłoby się wydawać, że podniesienie temperatury na południowym biegunie o 4°C nie wystarczy, by zapoczątkować podobną transformację planety. Sytuacja jednakże przypomina piramidę z jabłek ustawioną w sklepie warzywnym: wystarczy usunąć jedno jabłko z dołu, a cała konstrukcja runie.

Robert Zubrin, “Czas Marsa”

Gdyby te założenia okazały się słuszne, wystarczyłoby podgrzać choćby sam marsjański biegun. Podniosłoby to temperaturę tylko o kilka stopni, lecz jednocześnie uruchomiło całą reakcję łańcuchową. Nigdy nie brakowało pomysłów na techniczną realizację tego celu. Mówiło się o licznych żaglach słonecznych pełniących rolę kosmicznego lustra, mającego nakierowywać promienie słoneczne w wybrane tereny. Inną, bardziej wybuchową koncepcję przedstawił kilka lat temu prezes SpaceX, Elon Musk. Według miliardera dobrze byłoby zbombardować marsjańskie bieguny ładunkami termojądrowymi. Regularne eksplozje przeprowadzane wysoko nad powierzchnią planety miałyby pełnić rolę “pulsujących Słońc”, które pozwoliłyby na wydostanie z gruntów CO2.

Robert Zubrin, "Czas Marsa"
Robert Zubrin uważa, że terraformacja Marsa jest możliwa.

Kiedy Czerwona Planeta stałaby się nieco mniej zabójcza niż obecnie, można by pomyśleć nad hodowlą odpowiednich bakterii. Mikroorganizmy modyfikowałyby skład powietrza, głównie przez wydalanie jeszcze wydajniejszych gazów cieplarnianych, jak metan.

Zawsze byłem pełen podziwu do pracy Roberta Zubrina i nigdy nie uważałem go za fantastę. Szef Mars Direct popełnił bardzo szczegółowe opisy kolonizacji obcego globu, podparte twardymi obliczeniami. Gdyby tylko przyjęte przez niego założenia okazały się poprawne…

Brutalna rzeczywistość

Wszystkie obiecujące scenariusze, kreślone w pocie czoła przez członków Mars Direct, stanęły pod znakiem zapytania po raz pierwszy w 2007 roku. Wtedy to europejska misja Mars Express, przeanalizowała z orbity strukturę czapy polarnej wokół bieguna południowego. Okazało się, iż zdecydowana większość lodowców to nie zestalony dwutlenek węgla, lecz zwykła zamarznięta woda. Z jednej strony to dobrze, gdyż obecność H2O na planecie również ma swoje zalety. Z drugiej jednak odkrycie oznaczało, że topienie lodowców nie zmieni atmosfery tak bardzo, jak pierwotnie zakładano. Szacuje się, że odparowanie suchego lodu na obu biegunach zwiększyłoby ciśnienie do około 1,5% ciśnienia ziemskiego. Zawsze coś, jednak liczyliśmy na znacznie więcej.

Drugi cios nastąpił po lipcowym artykule z Nature Astronomy. Podstaw do niego dostarczyły najświeższe analizy pochodzące z amerykańskiej sondy MAVEN oraz wspomnianej już misji Mars Express. W oparciu o nie, autorzy publikacji – doświadczeni badacze Układu Słonecznego, Bruce Jakosky i Christopher Edwards – podali kolejne niepokojące liczby. Cały marsjański regolit więzi tyle CO2 aby zwiększyć gęstość atmosfery do 4%, a marsjańskie minerały o kolejne 1,2%. Zestawiając to wszystko – tj. obecny atmosferyczny CO2, ilość suchego lodu na biegunach, a także dwutlenek węgla zatrzymany w podłożu i skałach – uzyskalibyśmy na Marsie niecałe 7% gęstości ziemskiego powietrza. Przypomnę, że w swojej książce Robert Zubrin śmiało zakładał przebicie granicy 30% ziemskiego ciśnienia. Byłoby ono wciąż niskie – bo porównywalne z warunkami panującymi na szczycie Mount Everestu – jednak nie śmiertelnie niskie.

Terraformacja Marsa wymaga dużych ilości CO2

Mówiąc krótko i brutalnie: Mars nie posiada zasobów dwutlenku węgla pozwalających na zainicjowanie efektu cieplarnianego na skalę jakiej potrzebujemy.

Terraformacja Marsa niemożliwa?

Jakosky i Edwards doszli do konkluzji, że “terraformowanie Marsa nie jest możliwe przy użyciu dzisiejszej technologii”. To zdanie, którego bez wątpienia kurczowo będą się trzymać wszystkie osoby z portretem Elona Muska nad łóżkiem i ilustracją Olympus Mons ustawioną na tapecie. Rzeczywiście, trudno mówić o pełnym wykluczeniu planów kolonizacji Czerwonej Planety. Wszakże dopóki nie istnieją fizyczne prawa zabraniające realizacji danego celu, wszystko wydaje się wykonalne. Werdykt panów z NASA należy odczytywać jako niemożliwość praktyczną. Dotychczasowe scenariusze wzięły w łeb. Alternatywy będą natomiast wymagać tak wiele czasu, tak wiele energii i tak złożonych technologii – na jakie ludzkość nie jest i przez długi czas nie będzie gotowa.

Chcemy odpowiedzieć na pytanie, czy jest możliwe wydobycie gazów obecnych na Marsie, wypuszczenie ich do atmosfery i w efekcie zwiększenie ciśnienia oraz temperatury, tak aby rośliny lub ludzie mogli przetrwać na powierzchni? Pytamy, czy można to osiągnąć, biorąc pod uwagę realistyczne szacunki dostępnych substancji lotnych, bez korzystania z nowych technologii, które wykraczają daleko poza dzisiejsze możliwości. (…) Wyniki sugerują, że nie ma na Marsie wystarczającej ilości CO2, aby zapewnić znaczne ocieplenia i umieścić gazy w atmosferze; ponadto większość CO2 w tych zbiornikach nie jest dostępna i nie można ich łatwo wykorzystać.

Bruce Jakosky, Christopher Edwards

Typowy maruda mógłby stwierdzić, że przecież nawet nie przeprowadziliśmy jeszcze załogowej wyprawy na inną planetę, więc bez względu na bogactwo CO2, i tak nie dożylibyśmy epoki terraformowania Marsa. Zapewne miałby on rację. Jednak zwłoka jakiej dopuszczamy się wobec lotu na Marsa, wynika wyłącznie z przyczyn ekonomicznych i braku odpowiednich impulsów. Nie istnieją żadne techniczne ograniczenia i gdyby taka wyprawa była tylko opłacalna, to człowiek prawdopodobnie już jutro mógłby osobiście podziwiać kaniony Valles Marineris. Jednakże, tak czy inaczej, w końcu odwiedzimy Czerwony Glob, niemal na pewno jeszcze w tym pokoleniu.

Mars, daj się terraformować!

Przekreślenie planów terraformowania autorstwa Zubrina, Muska i innych kosmicznych optymistów, oznacza przesunięcie idei kolonizacji Marsa w daleką, bliżej nieokreśloną przyszłość. Dotychczasowe scenariusze dawały iluzoryczną szansę na to, że nasze prawnuki rozpoczną długofalowy projekt dostosowania obcej planety do swoich potrzeb. Brak wystarczających zapasów dwutlenku węgla na miejscu, przypuszczalnie zmusi ludzkość do prób samodzielnego wytworzenia sztucznej atmosfery, przy wykorzystaniu środków, wiedzy i technologii, którą dopiero zdobędziemy. Może to nastąpić za sto, dwieście lub pięćset lat.

A może jeszcze później. A może nie? Może będziemy świadkami nagłego przełomu, który uczyni wizję przyjaznego Marsa realną, już w XXII stuleciu?

Literatura uzupełniająca:
B. Jakosky, C. Edwards , Inventory of CO2 available for terraforming Mars, “Nature Astronomy” vol. 2, 2018;
Mars polar cap mystery solved, [online: www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Mars_Express/Mars_polar_cap_mystery_solved];
T. Leopold, Elon Musk’s new idea: Nuke Mars, [online: edition.cnn.com/2015/09/11/us/elon-musk-mars-nuclear-bomb-colbert-feat/index.html];
J. Małecki, Lodowa Czerwona Planeta – kosmiczne lodowce na Marsie, [online: glacjoblogia.wordpress.com/2014/03/10/lodowa-czerwona-planeta-kosmiczne-lodowce-na-marsie];
R. Zubrin, R. Wagner, Czas Marsa. Dlaczego i w jaki sposób musimy skolonizować Czerwoną Planetę, przeł. L. Kallas, Warszawa 1997;
H. McSween, Od gwiezdnego pyłu do planet. Geologiczna podróż przez Układ Słoneczny, przeł. A. Pilski, Warszawa 1996.
Wszyscy jesteście puści 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o misji statku Crew Dragon Castle Bravo – bardzo pechowa eksplozja