Освоение Марса

[AlexAV]

зачем высаживаться в гравитационное болото? зачем тратить уйму энергии на терраформирование?
это бредни фантастические. причём не научно-фантастические, а уровня детских комиксов вроде звёздных войн

Вы не правы. Если вообще допустить возможность расселения человечества за пределы земли, то для этого существуют четыре возможности:

-   освоение землеподобных планет у соседних звёзд
-   “эфирные поселения” типа колоний О’Нейла
-   поселения под куполом на поверхности планет
-   терраформирование

Если оценить их реализуемость в пределах обозримого горизонта возможного, то первый вариант, по всей видимости, без “волшебных технологий” вообще не осуществим как по технологическим, так и социальным причинам.

Варианты два и три практически равноценны и сильно уступают по надёжности/ долгосрочной безопасности/комфорту варианту четыре.

Опять же экономический фактор. Для терраформирования скажем Марса туда надо доставить, в расчёте на квадратный метр поверхности, где-то 30 т газов и 100 т воды (хотя последнее может и не потребоваться, количество собственной воды на Марсе не так уж и мало). Ну и отправить споры каких-нибудь водорослей и подождать. В общем-то  всё.

А та же колония О’Нейла в расчёте на единицу полезной площади потребует с учётом износа и периодического ремонта не меньше материала, но только не воды и азота, а высокотехнологических устройств и конструкций.

Т.е., как не парадоксально, терроформирование (на тех планетах, где оно вообще возможно) – более дешёвый путь расселения, по сравнению с городами под куполом или эфирными поселениями.

[AlexAV]

1)Воды и СО2 на марсе и так много, остаеться только нагреть марс и это все само собой выделиться.
2)Извлекаем все, что необходимо из пород марса.
3)Если потвердиться существование на марсе жидкой мантии, тогда можно организовать суперизвержение, которое наполнит марс водой СО2 и N2.

Тоже вариант.

Доставлять воду и атмосферу откудато нибыло, не просто дорого а очень дорого. Потому возможны три варианта...

Не факт, что дороже, чем другие варианты. Аммиачный и водяной лёд входит в состав ядер комет. В принципе достаточно подкорректировать орбиту какой-нибудь, так, чтобы она столкнулась с Марсом с низкой относительной скоростью (а ещё лучше вышла бы на невысокую около марсианскую орбиту, подобно Фобосу).

[AlexAV]

Вы знаете хоть одну такую комету? Даже если знаете вам понадобиться таких десятки тысяч.

Ну да, около десяти тысяч, если брать средний размер около 10 км. И что? Совершенно любой подход потребует деятельности в космосе в индустриальном масштабе.

1)Воды и СО2 на марсе и так много, остаеться только нагреть марс и это все само собой выделиться.
2)Извлекаем все, что необходимо из пород марса.
3)Если потвердиться существование на марсе жидкой мантии, тогда можно организовать суперизвержение, которое наполнит марс водой СО2 и N2.

Опять же, чудес не бывает, и если для атмосферы требуется 4*10^15 т, то их в любом случае откуда-то придётся брать. Или пригнать из космоса, или получать непосредственно на Марсе из местных ресурсов. Чисто по энергетике затраты на корректировки орбит комет и на получение газов из местного вещества в первом приближении соизмеримы (в расчёте на килограмм). А более точный ответ, какой вариант лучше, требует более детального анализа (это, то, что касается второго пункта).

Третий пункт – если опираться на технологии в рамках горизонта возможного, вообще не осуществим.

[AlexAV]

Еще раз повторю вопрос...Где собираетесь брать кометы которые достаточно лишь подкоректировать? Случаем не из облака Оорта?

Облако Орта слишком далеко. А вот пояс Койпера где-то оптимален.

[AlexAV]

Что по вашему трудно пробурить дырку в Марсе в которую хлынет житкая мантия? То что она там должна быть говорит мощный вулканизм в прошлом.

Во-первых, действительно очень трудно. Это не удалось пока сделать даже на земле.  А толщина коры марса где-то на порядок больше. Во-вторых, одна дырка – ничего не даст. Даже существенно больший по масштабу вулканизм земли изменяет атмосферу очень медленно. Единственное исключение – трапповые извержения, масштаба Восточно-сибирского траппа. Но для этого нужна не дырка, а разлом длинной порядка тысячи километров.

[AlexAV]

Если мы построим город-колонию в L5, Марс никому не нужен. Но если мы не можем построим город-колонию в L5 то тероформировать Марс мы не можем уж и ПОДАВНО!
О чем тогда бредит нынешняя молодежь?
Ума не приложу!
Мечты, мечты! Где ваша сладость!

Не согласен. Если мы можем построить эфирное поселение, то из этого не следует, то, что марс нам не нужен. Например, мы сегодня можем построить город в Антарктиде, но не делаем, потому, что жить там никто не желает. Да какая там Антарктида, даже из Норильска народ убегает при первой возможности. Эфирное поселение в этом смысле – сильно ухудшенный вариант того же Норильска. Работать можно, но вовсе не факт, что найдутся желающие жить там постоянно.

Недоатмосфера, недогравитация, недопланета но все равно гравитационная яма…
Все там ни то ни се.

Ну, смысл терроформирования и состоит, чтобы сделать из недоатмосферы, что-то вполне нормальное. С гравитацией, конечно ничего не сделаешь, но пока неясно насколько это серьёзная проблема.

Бред N1. Тероформинг Марса. То есть. Мы не выбравшись из гравитационной ямы Земли мечтаем подготовить марсианскую яму для себя и как-то побыстрячку туда перепрыгнуть… Не сильно задерживаясь в голом космосе… Не обживая его… На фоне экологических страшилок это даже вроде как оправдано…
Но если посчитать энергетику процесса, да и вообще…

Возможно… Но по крайней мере меньший, чем те же корабли поколений, да и 90% идей касающихся межзвёздных перелётов. Скажем если смотреть по затратам. Для терраформирования Марса даже при достаточно топорном подходе потребуется энергия порядка 10^22 Дж, что хватило бы для запуска максимум одного корабля со скоростью 0,1с и массой 20 тыс.т. Т.е. терраформирование по затратам сравнимо с одной межзвёздной миссией, но вот практическая отдача первого и второго просто несравнимы.

Т.е. хочу сказать, что если  обсуждение МП признавать законной научной спекуляцией, то обсуждение терраформирования Марса и не только заслуживает этого ещё в большей степени.

Дело, скажем, в противоположной хиральности местной биосферы иди в другом наборе аминокислот-кирпичиков в белках местной жизни. Чужой биосферы нам, живым, надо бояться как чумы. И даже больше!

Согласен.

[AlexAV]

на Марсе дела немного получше, но всё-таки присутствие там людей возможно лишь в качестве пары каких-нибудь исследовательских станций (по аналогии с освоением Антарктиды)

Согласен, что жить на Марсе, Луне и т.д. в том виде в которым они есть сегодня – глупость.

Но смысл терраформирования и состаит в создании полноценной атмосферы, гидросферы и биосферы максимально близкой к земной. Согласитесь, это меняет расклад.

Вообще идея терраформирования мне кажется очень красивой, причём полностью лежащая в границах возможного в рамках существующих представлений и не требующая волшебных технологий (ИИ, репликаторы, гипердвигатель и т.д.). Что мне кажется достаточным, чтобы сделать этот вопрос достойным обсуждения.

[AlexAV]

Ну вот и пощитайте сколько энергии необходимо, чтобы скомпенсировать разницу в скоростях в почти 20Км/с.

Это если делать совсем топорно, а скажем если использовать гравитационные манёвры вокруг Юпитера и Земли, требуемый ХС можно уменьшить где-то до 2,5 км/с.

К вопросу о коррекции климата Марса

При современном развитии технологий и в рамках имеющихся ... знаний наиболее перспективными методами колонизации Марса выглядят, примерно в порядке предпочтительности:

1. Изменение природы человеческого тела с тем, чтобы марсианская среда не была для него губительной.

2. Преобразование состава атмосферы путём "заселения" Марса самовоспроизводящимися "заводами" по производству кислорода из оксидов в марсианском грунте.

3. Создание "заселённых водоёмов".

Абсурд какой-то. Первый и второй пункт глубоко выходит за горизонт возможного. Третий – не решает поставленной задачи.

А вот в чём подход, связанный с использованием вещества из пояса Койпера выходит за горизонт возможного я вас попрошу разъяснить подробнее.

Да, это требует деятельности в космосе в индустриальных масштабах. Да, для этого потребуется много (но вполне достижимое) количество энергии. Но не более. Волшебных технологий для этого не надо. И кроме того он позволяет полностью решить поставленную задачу.

[AlexAV]

Для терраформирования Марса даже при достаточно топорном подходе потребуется энергия порядка 10^22 Дж
откуда сведения? выглядит сомнительно

Приношу извинения. Цифра ошибочная. Правильный порядок 10^25. Откуда цифра. Собственно на марсе практически всё уже имеется. Недостаточно только вещества в атмосфере. Соответственно его и нужно доставить. Это порядка 4 10^15 т. Взять его можно реально из пояса Койпера. Если оптимизировать траектории и использовать гравитацию других планет солнечной системы, то можно надеяться уложить ХС в 3 км/с. Т.е. порядок энергии около 2 10^25 Дж.

[AlexAV]

не соглашусь
отношение полезной площади планет к массе (читай - к гравитационной яме) велико, так как планеты вдруг сферические и массивные, по сравнению с теми же астероидами и кометами

У планеты другие достоинства. Она не требует затрат на поддержание СЖО. Т.е. один раз вложил и следующий миллиард лет можешь об этом вопросе и не вспоминать. Для эфирного же поселения это будет громадной проблемой, которая постоянно будет потреблять ресурсы, причём много. Кроме того, биосфера планеты чрезвычайно устойчива, а малейшая проблема в СЖО колонии может повлечь её гибель. Ну и естественно планета предоставляет качество жизни несравнимое с колонией на астероиде.

Кроме того, нельзя не учитывать некоторые социологические моменты. Так как такое поселение будет чрезвычайно уязвимо, то, следовательно, его социальная структура будет очень жёсткой. Северная Корея на фоне вашей колонии покажется образцом демократии. Но это ещё половина проблемы. Любое сообщество имеет внутреннею цикличность развития и с периодом около 300 лет случаются тяжелейшие кризисы (это эмпирический факт, которых хорошо прослеживается для всех обществ, начиная от Древнего Египта и заканчивая Новым временем). Эти очередные революции/гражданские войны/падения империй на планете не так уж и страшны. А вот переживёт ли такой кризис ваша колония – сильно сомневаюсь.

хм   вы имеете ввиду атсральное поселение или то, что люди обычно называют вахтовым методом

Эфирное поселение – это колония в открытом космосе (или у астероида) (термин не я придумал, а Циолковский). И да, я думаю, что они будут крайне мало комфортны для постоянного проживания и использоваться главным образом вахтовым методом.

[AlexAV]

Но для простоты допустим, однако, что нам невероятно повезло и мы обнаружили цельный кусок замёрзшего азота указанной массы. Характерный размер такого тела будет составлять, кстати, километров 60, что, вообще говоря, довольно немало.

Ну и кто вам сказал, что это тело должно быть одно. Можно взять несколько сотен или тысяч тел поменьше.

Отсюда, и из массы астероида, вытекает величина потребной на это энергии: 3*10^24 Дж. Это примерно на 4 порядка выше, чем ежегодно производимая ныне человечеством энергия.

И что? Любая масштабная деятельность в космосе потребует роста энерговооружённости на порядки. Строительство и поддержание функционирования эфирных поселений на 1 млрд. человек вряд ли обойдётся сильно дешевле.

Кстати вы так и не ответили на вопрос. В чём коррекция орбиты кометы противоречит современным представлениям в физике или требует волшебных технологий, т.е. выходит за горизонт возможного.

[AlexAV]

Кстати, сомнительно что из 300 а.е. тело свободно падающее вглубь системы долетит за 140 лет… Как оценить по-быстрячку (не прибегая к законам Кеплера)?

Можно оценить по Кеплеру.

T = 1/2 ((r0 + 1.5)/2)^3/2

В этом случае при начальном расстоянии:
300 а.е. – 925 лет
200 а.е. – 505 лет
100 а.е. – 180 лет
50 а.е. – 65 лет
30 а.е. – 31 год.

Пояс Койпера, кстати находится в диапозоне 30 – 55 а.е.

[AlexAV]

 

Кстати, это будет не надолго. Миллиард лет говорите? Гм… не знаю. Большой фанатик терроформировать Марс, Роберт Зубрин, вроде как оценивает время жизни терроформированной атмосферы Марса в несколько миллионов лет. Больше Марс свою избыточную атмосферу не удержит.

Почему это не удержит. Потери вещества атмосферой (абсолютные, т.е. выраженные в тоннах) от её толщины (до определённого предела, пока высота экзобазы сильно меньше радиуса планеты) практически независит. Современная высота экзобазы 210 км. С ростом давления у поверхности она будет расти очень медленно (логорифмически). Никаких проблем.

Более низкая вторая космическая отчасти компенсируется более низкой температурой термосферы, собственно потери по механизмы Джинса на марсе пренебрежимо мала (кроме водорода).

Есть специфический надтепловой канал потери частиц атмосферы за счёт ион-молекулярных реакций типа N2+ + e = N + N. Интенсивность потерь по этим канала определяется условиями на экзобазе и от давления на поверхности не зависит. Эффективность этих механизмов оценивается около 30 мбар за время существования марса (четыре миллиарда лет). Собственно опять крайне небольшая величина.

[AlexAV]

4 миллиарда лет назад на Марсе текли реки, стоял океан и было давление больше чем сейчас на Земле. При этом Солнце светило на 30% слабее. Куда же делась атмосфера-то? Какие-то у Вас оценки неточные.  Не находите?

Судя по всему Марсу просто не повезло.  На границе гесперийской и амазонской эры эры он столкнулся с чем-то очень крупным, что расплавило всё северное полушарие и образовало гигантский северный бассейн. Ну и сдуло большую часть атмосферы.

Обычные кинетические механизмы диссипации не способны объяснить такие потери атмосферы марса.

[AlexAV]

У Роберта  Ибатулина есть такой ценный листик:

http://robert-ibatullin.narod.ru/utilities/utils.html

А там есть ценный сборник.
http://robert-ibatullin.narod.ru/utilities/astro_formulas.pdf

Раздел 4 (стр. 26) Состав атмосферы.
Смотрим формулу Джинса.
Видите? Там температура в показателе степени.
Это значит что интуиция нам не помощник…
Надо брать параметры ожидаемой атмосферы (давление, температура, молярная масс) и параметры Марса (гравитация, диаметр) и считать время потери…
Может вы правы.

Хорошо. Формула Джинса:



Где F – поток убегающих частиц частиц/м^2 c, N – концентрация частиц на экзобазе (обращаю внимание - не на поверхности, а на экзобазе). V – вторя космическая, V = 5030 м/с, U – средняя тепловая скорость:



T – температура, R – универсальная газовая постоянная, m – молекулярная масса, в данном случае примем m = 0.016 (атомарный кислород).

Оценка концентрации частиц на экзобазе:



g – ускорение свободного падения, g = 3.7 м/с2, Q – сечение столкновения частиц, Q = 3 10^-19 м2.

Ну и полные потери атомсферы:



$N_A$ - число Авогадро, R_p – радиус планеты.

И тогда темпы тепловых потерь атмосферы Марса при температуре экзобазы:

T = 2000К M =40000 т/год
T = 1500К M = 1045 т/год
Т = 1000К М = 0,56 т/год
Т = 500К М – от нуля почти неотличима.

Температура экзосферы земли 1500 К, современная температура экзосферы Марса 340К. Как видно тепловая диссипация на марсе вообще не играет никакой роли.

Не тепловые механизмы более существенны (сдувание солнечным ветром, генерация неравновесных частиц в ион-молекулярных процессах), но оценки по эти канал не дают величин более десятка миллибар за миллиард лет.

[AlexAV]

Там есть условие удержания атмосферы планетой. Речь идет о формуле 4.А.1.
Отношение второй космической к средней квадратичной скорости молекул в экзосфере.
Оно должно быть не меньше 6
И там пишется:

Там формула 4.А.5 какая-то странная. Во-первых, она совершенно не совпадает с той, которая приведена у Дж. Чемберлена в книге “Теория планетных атмосфер”, а ей я доверяю больше.

Во-вторых, по экспоненциальному закону будет падать давление только в том случае, если атмосфера тонкая, а экзобаза совпадает с поверхностью планеты. Если атмосфера толстая (как у Земли, Марса или Венеры) поток уходящих частиц зависит только от условий на экзобазе, а не на поверхности планеты и в этом случае диссипация атмосферы происходит в первом приближении по линейному закону, а не экспоненциальному. Т.е. для толстой атмосферы говорить о времени уменьшение давления в е раз неконструктивно, т.к. это время зависит от плотности атмосферы (чем она больше, тем время будет больше), а надо говорить о падении давления в абсолютных величинах Па/млрд. лет. или т/год.

Что мне показалась у вас подозрительным?
Вы взяли температуру экзосферы современного Марса. Да если взять 350 К, то среднеквадратичная скорость молекул газа (берем воздух) получается 548,71 и отношение для Марса 9.16.
Да, такую атмосферу Марс держит. Но это же ледяная атмосфера! Без наведенного парникового эффекта! Мы же говорим о плотной и главное теплой атмосфере, подобной атмосфере Земли. А ее Марс не удержит слишком долго. То есть мой склероз меня не обманул.

Температура экзобазы вообще не связана с температурой тропосферы.  Она определяется балансом ионизирующего излучения, поглощаемого термосферой и излучения частиц термосферы, а также теплопроводностью термосферы. Температура мезопаузы, куда стекает тело из термосферы по средствам теплопроводности вообще мало от чего зависит и определяется вымораживанием колебательных степеней свободы молекул углекислого газа. В земной атмосфере основную роль играет теплопроводность.

Марс получает в 2,3 раза меньше ионизирующего излучения, чем земля, а значит, атмосфера земли, перемещённая на марс будет иметь температуру экзобазы никак не больше 750К (беру температуру земной 1500К, температуру мезопаузы 200К). Реально меньше, т.к. интенсивность процессов излучения в термосфере от температуры зависит слабо (в действительности на марсе она ещё меньше, но это связано с более сильной излучающей способностью углекислого газа, по сравнению с азотно-кислородной атмосферой). 

[AlexAV]

Прекрасно!
Я беру 1500 К (почему - объяснил выше) и ваши 1045 т/год. Надо теперь найти массу новой атмосферы Марса и разделив получить срок потери атмосферы (примерно, разумеется).
Все просто. Новая атмосфера Марса как на Земле. То есть имеет массу 10 т/м2. Берем поверхность Марса: 4-пи-эр-квадрат и умножаем на 10 тонн.
Получаем массу новой атмосферы 1,44E+09 тонн.
А значит равномерно ее теряя Марс лишиться ее за …1,38E+06 лет. Чуть больше миллиона лет.
Реальность разумеется будет иной. По мере потери атмосферы будет падать температура ну и вся динамика будет иной. Почему я хотел воспользоваться формулой у Роберта…

У вас ошибка. Площадь поверхности марса 144 798 465 км² или 144 *10^12 м2. Соответственно вес 1,44*10^15 т. Ну и соответственно время тепловой диссипации более 10^13 лет. Практически вечность. (вы забыли перевести километры квадратные в метры).

[AlexAV]

Жаль что мы так и не приделали двигатель к "азотной комете".
Интересная задача!
Я так понял идея доставить недостающую атмосферу на Марс извне отброшена?

Нет. Просто я ещё не успел ответить.

[AlexAV]

При этом скорость истечения должна быть 0.62715 от характеристической (3 км/с). То есть истекать это должно со скоростью  1,88145 км/с

Отсюда можно считать (по формуле Циолковского) отбрасываемую массу. Но чего считать и так ясно - примерно в 4 раза больше. То есть 1.6E+16 т рабочего тела. 
Это если мы экономим энергию (а ее мы экономим! Масса - мусор. Энергия - дефицит).

Вообще для начала хотелось бы посмотреть, на сколько эти джоули можно уменьшить. Скорее всего, лучше всего использовать сложный гравитационный манёвр, скажем с двумя разворотами, скажем, у Урана/Нептуна и Юпитера.

Например, берём какого-нибудь троянца Нептуна, тогда для того чтобы перевести его на орбиту, с которой возможен гравитационный манёвр вокруг урана достаточно ХС в 0,7 км/с, дальнейшее, если правильно подобрано направление и момент импульса, вообще затрат требовать не должно.

[AlexAV]

да будет вам известно, что гравиманёвр - это весьма нещадный прилив
а кометное тело - это весьма рыхлый и неустойчивый айсберг

Если не подходить ближе предела Роша, для планет гигантов и комет это где-то 2-3 радиуса планеты, то не развалится.