Fremtiden for rumkolonisering – terraforming eller rumhabitater?

Ideen om at terraformere Mars – også kaldet "Jordens tvilling" – er en fascinerende idé. Mellem smeltning af polariskapperne, langsomt skabe en atmosfære, og derefter konstruere miljøet til at have løv, floder, og stående vandmasser, der er nok til at inspirere næsten enhver! Men hvor lang tid ville en sådan bestræbelse tage, hvad ville det koste os, og er det virkelig en effektiv udnyttelse af vores tid og energi?

Sådan var spørgsmålene, der blev behandlet af to artikler, der blev præsenteret på NASAs "Planetary Science Vision 2050 Workshop" i sidste uge (man. 27. februar – onsdag 1. marts). Den første, med titlen "The Terraforming Timeline", præsenterer en abstrakt plan for at gøre den røde planet til noget grønt og beboeligt. Sekundet, med titlen "Mars Terraforming – the Wrong Way", afviser ideen om terraforming fuldstændigt og præsenterer et alternativ.

Det tidligere papir blev produceret af Aaron Berliner fra University of California, Berkeley, og Chris McKay fra Space Sciences Division ved NASA Ames Research Center. I deres papir, de to forskere præsenterer en tidslinje for terraformningen af ​​Mars, der inkluderer en opvarmningsfase og en iltningsfase, samt alle de nødvendige skridt, der ville gå forud og følge.

Som de siger i deres papirs introduktion:

"Terraformende Mars kan opdeles i to faser. Den første fase er at opvarme planeten fra den nuværende gennemsnitlige overfladetemperatur på -60°C til en værdi tæt på Jordens gennemsnitstemperatur til +15°C, og genskabe en tyk CO²-atmosfære. Denne opvarmningsfase er forholdsvis nem og hurtig, og kunne tage ~100 år. Den anden fase er at producere niveauer af O² i atmosfæren, som ville tillade mennesker og andre store pattedyr at trække vejret normalt. Denne iltningsfase er relativt vanskelig og vil tage 100, 000 år eller mere, medmindre man postulerer et teknologisk gennembrud."

Inden disse kan begynde, Berliner og McKay erkender, at visse "pre-terraforming"-trin skal tages. Disse omfatter undersøgelse af Mars' miljø for at bestemme vandniveauerne på overfladen, niveauet af kuldioxid i atmosfæren og i isform i polarområderne, og mængden af ​​nitrater i Mars jord. Som de forklarer, alle disse er nøglen til det praktiske ved at lave en biosfære på Mars.

Indtil nu, de tilgængelige beviser peger mod alle tre elementer, der findes i overflod på Mars. Mens det meste af Mars-vandet i øjeblikket er i form af is i polarområderne og polarhætterne, der er nok der til at understøtte en vandkredsløb – komplet med skyer, regn, floder og søer. I mellemtiden nogle skøn hævder, at der er nok CO² i isform i polarområderne til at skabe en atmosfære svarende til havniveautrykket på Jorden.

Nitrogen er også et grundlæggende krav for liv og nødvendig bestanddel af en åndbar atmosfære, og nyere data fra Curiosity Rover indikerer, at nitrater tegner sig for ~0,03 vægtprocent af jorden på Mars, hvilket er opmuntrende for terraforming. Oven i købet, videnskabsmænd bliver nødt til at tackle visse etiske spørgsmål relateret til, hvordan terraforming kan påvirke Mars.

For eksempel, hvis der i øjeblikket er liv på Mars (eller liv, der kunne genoplives), dette ville udgøre et ubestrideligt etisk dilemma for menneskelige kolonister – især hvis dette liv er relateret til livet på Jorden. Som de forklarer:

"Hvis liv på Mars er relateret til jordisk liv - muligvis på grund af meteoritudveksling - så er situationen velkendt, og spørgsmål om, hvilke andre typer jordisk liv der skal introduceres, og hvornår der skal tages fat. Imidlertid, hvis liv på Mars ikke er relateret til jordisk liv og klart repræsenterer en anden tilblivelse af livet, så rejses væsentlige tekniske og etiske spørgsmål."

For at bryde fase 1 - "The Warming Phase" - kortfattet ned, forfatterne behandler et problem, vi kender i dag. I det væsentlige, vi ændrer vores eget klima her på Jorden ved at introducere CO² og "superdrivhusgasser" til atmosfæren, hvilket øger jordens gennemsnitlige temperatur med en hastighed på mange grader celsius pr. århundrede. Og mens dette har været utilsigtet på Jorden, på Mars kunne det igen bruges til bevidst at opvarme miljøet.

"Tidsskalaen for opvarmning af Mars efter en fokuseret indsats med super drivhusgasproduktion er kort, kun 100 år eller deromkring, " hævder de. "Hvis al solhændelsen på Mars skulle fanges med 100 % effektivitet, så ville Mars varme op til jordlignende temperaturer om cirka 10 år. Imidlertid, effektiviteten af ​​drivhuseffekten er sandsynligt omkring 10 %, Den tid, det ville tage at opvarme Mars, ville således være ~100 år."

Når først denne tykke atmosfære er blevet skabt, det næste trin involverer at omdanne det til noget åndbart for mennesker – hvor O²-niveauer ville svare til omkring 13 % af lufttrykket i havoverfladen her på Jorden, og CO²-niveauer ville være mindre end 1 %. Denne fase, kendt som "iltningsfasen", ville tage betydeligt længere tid. Endnu engang, de vender sig mod et jordisk eksempel for at vise, hvordan en sådan proces kunne fungere.

Her på jorden, de hævder, de høje niveauer af oxygengas (O²) og lave niveauer af CO² skyldes fotosyntese. Disse reaktioner er afhængige af solens energi til at omdanne vand og kuldioxid til biomasse – hvilket er repræsenteret ved ligningen H²O + CO² =CH²O + O². Som de illustrerer, denne proces vil tage mellem 100, 000 og 170, 000 år:

"Hvis alt sollys, der falder ind på Mars, blev udnyttet med 100 % effektivitet til at udføre denne kemiske transformation, ville det kun tage 17 år at producere høje niveauer af O². den sandsynlige effektivitet af enhver proces, der kan omdanne H²O og CO² til biomasse og O², er meget mindre end 100 %. Det eneste eksempel, vi har på en proces, der globalt kan ændre CO² og O² af en hel plante, er global biologi. På Jorden er effektiviteten af ​​den globale biosfære til at bruge sollys til produceret biomasse og O2 0,01 %. Tidsskalaen for at producere en O²-rig atmosfære på Mars er således 10, 000 x 17 år, eller ~ 170, 000 år."

Imidlertid, de tager højde for syntetisk biologi og andre bioteknologier, som de hævder kunne øge effektiviteten og reducere tidsskalaen til solide 100, 000 år. Ud over, hvis mennesker kunne udnytte naturlig fotosyntese (som har en forholdsvis høj effektivitet på 5%) over hele planeten - dvs. plante løv over hele Mars - så kunne tidsskalaen reduceres til endda nogle få århundreder.

Endelig, de skitserer de skridt, der skal tages for at få bolden til at rulle. Disse trin omfatter tilpasning af nuværende og fremtidige robotmissioner for at vurdere marsressourcer, matematiske og computermodeller, der kunne undersøge de involverede processer, et initiativ til at skabe syntetiske organismer til Mars, et middel til at teste terraformningsteknikker i et begrænset miljø, og en planetarisk aftale, der ville etablere restriktioner og beskyttelser.

Citerer Kim Stanley Robinson, forfatter til Red Mars-trilogien, (science fiction-værket om terraforming af Mars) udsender de en opfordring til handling. Taler om, hvor lang tid processen med at terraforme Mars vil tage, de hævder, at vi "lige så godt kan begynde nu".

Til dette, Valeriy Yakovlev – en astrofysiker og hydrogeolog fra Laboratory of Water Quality i Kharkov, Ukraine – tilbyder en afvigende opfattelse. I hans papir, "Mars Terraforming – den forkerte vej", han argumenterer for skabelsen af ​​rumbiosfærer i Low Earth Orbit, der ville være afhængige af kunstig tyngdekraft (som en O'Neill-cylinder) for at tillade mennesker at vænne sig til livet i rummet.

Ser på en af ​​de største udfordringer ved rumkolonisering, Yakovlev peger på, hvordan liv på kroppe som Månen eller Mars kan være farligt for menneskelige bosættere. Ud over at være sårbare over for sol- og kosmisk stråling, kolonister ville skulle håndtere væsentligt lavere tyngdekraft. I tilfældet med månen, dette ville være omkring 0,165 gange det, som mennesker oplever her på Jorden (også kendt som 1 g), hvorimod det på Mars ville være omkring 0,376 gange.

De langsigtede virkninger af dette kendes ikke, men det er klart, at det vil omfatte muskeldegeneration og knogletab. Ser man længere, det er fuldstændig uklart, hvad virkningerne ville være for de børn, der blev født i begge miljøer. adressering af de måder, hvorpå disse kan afbødes (som omfatter medicin og centrifuger), Yakovlev påpeger, hvordan de højst sandsynligt ville være ineffektive:

"Håbet om medicinudviklingen vil ikke ophæve den fysiske nedbrydning af musklerne, knogler og hele organismen. Rehabiliteringen i centrifuger er en mindre hensigtsmæssig løsning sammenlignet med skibsbiosfæren, hvor det er muligt at tilvejebringe en i det væsentlige konstant efterligning af den normale tyngdekraft og beskyttelseskomplekset mod enhver skadelig påvirkning fra rummiljøet. Hvis vejen til rumudforskning er at skabe en koloni på Mars og desuden de efterfølgende forsøg på at terraformere planeten, det vil føre til det uberettigede tab af tid og penge og øge de kendte risici ved den menneskelige civilisation."

Ud over, han peger på udfordringerne ved at skabe det ideelle miljø for individer, der bor i rummet. Udover blot at skabe bedre køretøjer og udvikle midlerne til at skaffe de nødvendige ressourcer, der er også behov for at skabe det ideelle rummiljø for familier. I det væsentlige, dette kræver udvikling af boliger, der er størrelsesmæssigt optimal, stabilitet, og komfort.

I lyset af dette, Yakolev præsenterer, hvad han anser for at være de mest sandsynlige udsigter for menneskehedens exit til rummet mellem nu og 2030. Dette vil omfatte skabelsen af ​​de første rumbiosfærer med kunstig tyngdekraft, som vil føre til vigtige udviklinger med hensyn til materialeteknologi, livsstøttesystemer, og robotsystemer og infrastruktur, der er nødvendig for at installere og servicere habitater i Low Earth Orbit (LEO).

Disse habitater kunne serviceres takket være skabelsen af ​​robot-rumfartøjer, der kunne høste ressourcer fra nærliggende kroppe - såsom Månen og Near-Earth Objects (NEO'er). Dette koncept ville ikke kun fjerne behovet for planetarisk beskyttelse - det vil sige bekymringer om at forurene Mars' biosfære (forudsat tilstedeværelsen af ​​bakterielt liv), det ville også give mennesker mulighed for at vænne sig til rummet mere gradvist.

Som Yakovlev fortalte Universe Today via e-mail, fordelene ved rumhabitater kan opdeles i fire punkter:

"1. Dette er en universel måde at mestre de uendelige rum i Kosmos, både i solsystemet og udenfor det. Vi har ikke brug for overflader til montering af huse, men ressourcer, som robotter vil levere fra planeter og satellitter. 2. Muligheden for at skabe et levested så tæt som muligt på jordens vugge gør, at man kan undslippe den uundgåelige fysiske nedbrydning under en anden tyngdekraft. Det er lettere at skabe et beskyttende magnetfelt.

"3. Overførslen mellem verdener og ressourcekilder vil ikke være en farlig ekspedition, men et normalt liv. Er det godt for sejlere uden deres familier? 4. Sandsynligheden for død eller nedbrydning af menneskeheden som følge af den globale katastrofe er væsentligt reduceret, da koloniseringen af ​​planeterne omfatter rekognoscering, levering af varer, shuttletransport af mennesker – og det er meget længere end konstruktionen af ​​biosfæren i Månens kredsløb. Dr. Stephen William Hawking har ret, en person har ikke meget tid."

Og med rumhabitater på plads, noget meget afgørende forskning kunne begynde, herunder medicinsk og biologisk forskning, som ville involvere de første børn født i rummet. Det ville også lette udviklingen af ​​pålidelige rumfærger og ressourceudvindingsteknologier, som vil komme til nytte for afviklingen af ​​andre kroppe – som Månen, Mars, og endda exoplaneter.

Ultimativt, Yakolev mener, at rumbiosfærer også kunne opnås inden for en rimelig tidsramme – dvs. mellem 2030 og 2050 – hvilket simpelthen ikke er muligt med terraforming. Med henvisning til den voksende tilstedeværelse og magt i den kommercielle rumsektor, Yakolev mente også, at meget af den nødvendige infrastruktur allerede er på plads (eller under udvikling).

"Efter at vi har overvundet trægheden ved at tænke +20 år, den eksperimentelle biosfære (som bosættelsen i Antarktis med ure), om 50 år vil den første generation af børn født i Kosmos vokse, og Jorden vil falde, fordi det vil komme ind i legenderne som helhed... Som et resultat, terraforming vil blive aflyst. Og den efterfølgende konference vil åbne vejen for ægte udforskning af Kosmos. Jeg er stolt af at være på samme planet som Elon Reeve Musk. Hans missiler vil være nyttige til at løfte design til den første biosfære fra månefabrikkerne. Dette er en tæt og direkte måde at erobre Kosmos på."

Med NASA-videnskabsmænd og iværksættere som Elon Musk og Bas Landorp, der ønsker at kolonisere Mars i den nærmeste fremtid, og andre kommercielle luftfartsselskaber, der udvikler LEO, størrelsen og formen af ​​menneskehedens fremtid i rummet er svær at forudsige. Måske vil vi i fællesskab beslutte os for en vej, der fører os til Månen, Mars, og videre. Måske vil vi se vores bedste indsats rettet ind i det nære Jord-rum.

Eller måske vil vi se os selv gå i flere retninger på én gang. Mens nogle grupper vil gå ind for at skabe rumhabitater i LEO (og senere, andre steder i solsystemet), der er afhængige af kunstig tyngdekraft og robotrumskibe, der udvinder asteroider efter materialer, andre vil fokusere på at etablere forposter på planetariske legemer, med det mål at gøre dem til "nye Jorder".

Mellem dem, vi kan forvente, at mennesker vil begynde at udvikle en grad af "rumekspertise" i dette århundrede, hvilket helt sikkert vil komme til nytte, når vi begynder at skubbe grænserne for udforskning og kolonisering endnu længere.