Облачный атлас: проекты для венерианского воздухоплавания

На рубеже 2020–2021 годов я только начинал работу на Хабре и присматривался к интересам аудитории. Поэтому среди первых статей, которые я опубликовал, был лонгрид «Марс и магнитосфера. Планета, которую можно отремонтировать», посвящённый терраформированию Марса. Несмотря на то, что тема терраформирования по сей день остаётся чисто гипотетической и выходит за рамки наших технологических возможностей, она является предметом серьёзных научных исследований и вызывает огромный интерес и оптимизм. Примечательно, что уважаемый @sacredtree более года назад написал на Хабре первую (из анонсированной серии) статью о терраформировании, он начал именно с Марса: «Мысленный эксперимент по терраформированию планет. Часть 1: Марс». Также эту тему многократно затрагивали другие хабровчане, например, уважаемый @densss2 (“Марс. Практическое пособие по терраформированию для домохозяек”), уважаемый @SLY_G («Почему на Марсе не получится ничего вырастить?*»). В своё время я написал на Хабре обобщающий материал о терраформировании и жизнепригодности скалистых планет, он называется «Укрощение кислорода и подводные камни терраформирования» (статья собрала 237 комментариев).

У меня складывается впечатление, что аудитория обожает рассуждать о терраформировании Марса, но лишь косвенно затрагивает не менее интересную тему — потенциальные возможности обживания Венеры. При существующем уровне технологий невозможно представить заселение венерианской поверхности или искусственное устранение излишков парниковых газов на Венере. Однако гораздо интереснее выглядят идеи о развёртывании постоянных поселений в облаках Венеры. Под катом поговорим об этом подробнее.

В широком смысле терраформирование сводится к приближению условий на планете или спутнике к земным, то есть, для преобразуемого мира является глобальной перестройкой и экологической катастрофой. Тем не менее, при терраформировании придётся запускать физические и химические преобразования с использованием веществ и ресурсов, уже имеющихся на обрабатываемой планете, так как доставлять их извне в необходимом количестве практически невозможно (есть некоторые оговорки, их озвучу ниже).

Именно по ресурсным и физическим соображениям Венера кажется не менее, а иногда и более перспективной целью для терраформирования, чем Марс. Ранее я писал на Хабре о перспективах отбуксировки планет в зону обитаемости в статье «Астроинженерная фантазия о коорбитальных планетах», а также в статье «Стрекозы Титана или мир‑танкер, пришвартованный к Сатурну» упоминал о возможностях терраформирования Титана. Так вот, Венера, в отличие от Марса, обладает гравитацией в 90% от земной, а не 38% от земной, как Марс. Поэтому на Венере мышцы не будут атрофироваться, а кости — терять кальций. Кроме того, Венера обладает густой атмосферой из углекислого газа, настолько плотной, что атмосферное давление на поверхности Венеры сопоставимо с давлением, которое оказывает морская вода на глубине около 800 метров. На Марсе же атмосферы практически не осталось. Поэтому Венеру логично рассматривать не как «адскую пустыню с сильно пересечённым вулканическим рельефом», а сравнить с агрессивным кислотным океаном. В таком случае колонизация венерианской поверхности (при нынешнем уровне технологий неосуществимая) — это проблема, сопоставимая с колонизацией океанического дна на Земле. Мы не можем жить на дне океана (и даже на шельфе) из‑за высокого давления, из‑за того, что солёную воду нельзя куда‑то убрать и заменить воздухом, а также из‑за практически полной темноты и невозможности работать с огнём. При этом мы умеем опреснять океаническую воду, добывать из неё минералы и даже благородные металлы.

Идея развёртывания постоянных поселений в венерианской атмосфере заслуживает обсуждения уже потому, что с технической и экологической точки зрения такой проект более реалистичен, чем обживание венерианской поверхности. Одним из первых теоретиков‑первопроходцев этой идеи является Джефри Лэндис (Geoffrey A. Landis), изложивший её в 2003 году в статье «Colonization of Venus». В частности, он отмечал, что в верхних слоях венерианских облаков условия — практически самые близкие к земным во всей Солнечной системе. На высоте порядка 50 километров давление венерианской атмосферы составляет около 1 бар (как на поверхности Земли), а гравитация, напомню, составляет 90% от земной. Кроме того:

• Над венерианскими облаками ярко светит солнце (имеется избыток солнечной энергии)

• Температура стабильно выше нуля и не превышает 100 °C

• В атмосфере содержатся летучие вещества, в которых связаны углерод, водород, кислород, сера и азот — первокирпичики жизни.

Здесь давайте очертим круг проблем, осложняющих колонизацию венерианской поверхности. Чтобы приблизить условия на поверхности Венеры к обитаемым даже для земных бактерий (и одноклеточных водорослей, которые могли бы начать обогащение венерианской атмосферы кислородом), нужно, как минимум:

• Удалить из атмосферы около 90% углекислого газа. Поскольку выкачать его в космос невозможно, его потребовалось бы связать в венерианских минералах, то есть, заново запустить на Венере карбонатно‑силикатный цикл.

• Приблизить состав атмосферы к земному, то есть, оставить в ней комфортное количество азота и аргона и довести уровень кислорода примерно до 20%.

• Остудить Венеру примерно на 400 градусов. Вероятно, это можно было бы сделать, если ускорить вращение планеты вокруг своей оси, либо искусственно повысить альбедо (отражательную способность) Венеры.

• Восстановить утраченные запасы воды.

Терраформирование Венеры: история идей

По‑видимому, первую научную картину терраформирования Венеры предложил Карл Саган (1934 — 1996), изложивший её в статье «The Planet Venus». Эта работа была опубликована в марте 1961 года, когда никаких снимков поверхности Венеры ещё не существовало, а в науке доминировала точка зрения, что Венера должна быть влажным миром, напоминающим «карбонатное болото». Саган, напротив, верно предположил, что Венера полностью лишилась воды из‑за эффекта, который впоследствии назовут «влажной стратосферой», поэтому карбонатный цикл в этом мире нарушен, а выжить в условиях Венеры могут только бактерии, которые должны преобразовать в органические вещества углерод, связанный в виде углекислого газа. Впоследствии этот метод был признан несостоятельным, так как выяснилось, что облака Венеры состоят из серной кислоты, а из‑за солнечного ветра слишком высок уровень радиации.

В 1982 году С. Дж. Эдельман из Британского планетологического общества в статье «Can Venus Be Transformed into an Earth‑Like Planet» предложил бомбардировать Венеру астероидами, чтобы таким образом «стряхнуть» с неё излишки атмосферы. Притом, что сам этот проект неосуществим даже при современном уровне развития технологий (мы не умеем менять курс астероидов, тем более, прицельно метать их в планеты), масса астероида должна быть сопоставима с массой венерианской атмосферы, порядка 5 × 10²⁰ кг.

Следующим шагом в этом направлении можно считать идеи ещё одного британского учёного Пола Бёрча, который в 1991 году опубликовал исследование «Terraforming Venus Quickly». Он предлагал накачивать атмосферу Венеры водородом, чтобы запустить химическую реакцию, в результате которой из углекислого газа должны образовываться вода и углерод в форме графита. Постепенно графит должен был ровным слоем покрыть венерианские равнины, а далее до 80% территории планеты должен был покрыть рукотворный океан. Водорода потребовалось бы так много, что позаимствовать его пришлось бы из атмосферы одного из газовых гигантов, вероятно, Юпитера. Бёрч предполагал, что можно сочетать такое накачивание водородом со сбросом ледяных спутников на поверхность Венеры (испаряясь, они обеспечивали бы поступление воды на планету).

Бёрч предполагал, что на терраформирование Венеры таким методом потребовалось бы около 200 лет. Параллельно с бомбардировкой он предполагал развернуть в точке Лагранжа между Венерой и Солнцем защитный экран, который рассеивал бы большую часть солнечного света и обеспечил конденсацию доставляемой на Венеру влаги. По расчётам Бёрча, объём воды, нужный для такого проекта, содержится на Энцеладе, спутнике Сатурна, который потребовалось бы сначала перебазировать на орбиту Венеры, а затем сбросить на неё сквозь толщу облаков.

Ещё более экзотические проекты терраформирования Венеры озвучены, например, в статье Марка Баллока и Дэвида Гринспуна «The Stability of Climate on Venus», где предлагается не только увлажнять и охлаждать Венеру, но и приближать к земному её минеральный состав. Например, авторы рассматривают, как можно было бы распылить в атмосфере железный аэрозоль, который прореагировал бы с серной кислотой и углеродом, а затем выпал в виде сульфатов и карбонатов. Тогда в атмосфере остался бы преимущественно азот, а давление можно было бы снизить с 90 примерно до 3 бар. Если бы параллельно на Венере образовался океан, то азот частично растворился бы в нём, и давление стало бы практически земным. Кроме железа для получения такого набора минералов потребовалось бы насытить атмосферу Венеры кальцием и магнием, которые образовали бы слои осадочных пород и сработали бы как дополнительные поглотители углерода. Вот основные реакции, которые приведены в этой статье:

На вершинах багровых туч

Я сделал этот исторический экскурс, чтобы продемонстрировать, что терраформирование венерианской поверхности — титаническая задача, требующая такого перераспределения масс в Солнечной системе и такой перебалансировки самой венерианской экологии, что ни в какой обозримой перспективе неосуществимо. С другой стороны, нет никаких принципиальных проблем, которые помешали бы приступить к колонизации венерианских облаков уже в нашем веке.

Венерианская атмосфера, давящая на поверхность планеты как целый океан, на высоте истончается. Как я указывал выше, в верхних слоях атмосферы есть слой, давление которого сопоставимо с атмосферным давлением на Земле, он располагается на высоте 50 километров над поверхностью. Температура там ещё очень высока, около 75 °C, но примерно 5 километрами выше располагается более разреженный слой, где давление уже вполовину меньше нашего атмосферного, а температура падает до 26,5 °C. На высоте примерно 60 километров температура около нуля по Цельсию, а давление составляет 0,23 от атмосферного. Соответственно, зона обитаемости на Венере простирается в верхних слоях атмосферы и занимает огромную полосу толщиной около 10 км.

Самым отягчающим фактором для обживания этой полосы станет чрезвычайно высокая концентрация серной кислоты. Пиковые значения наблюдаются на высоте около 48 километров, на рассматриваемых здесь высотах они чуть ниже. Однако, даже минимальное насыщение этой области водой или продуктами сгорания приведёт к образованию сернокислого тумана или высотных серных дождей, то есть, к коррозии и быстрому износу любых металлических поверхностей. Дышать в такой атмосфере без скафандра (в респираторах) также будет невозможно, даже если насытить её кислородом.

Впрочем, ни одно из этих препятствий не является непреодолимым, если венерианские колонии будут проектироваться по стандартам долговременных космических станций или орбитального улья. Уже сейчас разработаны антикоррозийные сплавы для авиации, а в условиях постоянно летучих баз логичнее было бы использовать не тяжёлые металлы, а жаропрочный пластик. Также в таком случае пригодилось бы тефлоновое покрытие.

Остановлюсь и на том, что в верхних слоях венерианской атмосферы не будет недостатка как в солнечной, так и в механической энергии. Ранее в статье «Большая венерианская волна» я писал о том, что в верхних слоях венерианской атмосферы дуют мощные постоянные ветры, источник неисчерпаемой энергии, которую сама планета превращает из тепловой в механическую. Таким образом, летучие ветроэлектростанции на Венере были бы гораздо эффективнее, чем на Земле. Кроме того, в верхних слоях венерианской атмосферы очень солнечно, поэтому вполне реально застраивать большие площади солнечными батареями, а также выстилать ими поверхность станций. Давайте обсудим, как могут быть устроены такие постоянные поселения, которые для наглядности будем называть летучими городами.

Летучие города

Чтобы объект оставался на плаву в толще жидкости, при этом неконтролируемо не тонул и не всплывал, его средняя плотность должна быть равна плотности той жидкости, в которой он находится. Эта закономерность давно опробована в конструкции подводных лодок, которые должны обладать плотностью морской воды, то есть, чуть более 1 г/см³. Чтобы подводная лодка могла всплывать и в принципе содержать отсеки, наполненные кислородно‑гелиевой дыхательной смесью, в ней предусматриваются камеры для закачки воды. Благодаря такому решению, судно меняет плотность, не меняя объёма, что и позволяет лодке погружаться на заданную глубину и двигаться там.

Эта аналогия условна, так как атмосфера Венеры гораздо более текучая, чем водные океаны. Поскольку там негде взять ни азота, ни кислорода для заполнения будущей станции дыхательной смесью, напоминающей воздух, герметичные блоки (гондолы) потребовалось бы спускать (погружать) с орбиты. Чтобы колония заняла нужный эшелон в атмосфере, её нужно снабдить водородными или гелиевыми баллонами, как у дирижабля. В верхних слоях атмосферы Венеры водород кажется предпочтительнее гелия, так как это возобновляемый ресурс (его можно добывать разложением серной кислоты), а при отсутствии кислорода водород не образует гремучего газа и, следовательно, не взрывоопасен.

Потенциальные проблемы

Венеру не случайно называют «планетой бурь», и рисунок движения воздушных масс в верхних слоях её атмосферы пока практически не изучен. Но представляется, что, как и на Земле, на Венере должны существовать постоянные метеорологические области, именуемые «ячейками Хэдли». Эти области замкнутой циркуляции открыл в атмосфере Земли в 1735 году Джордж Хэдли (Гадлей), работавший в Северной Африке и пытавшийся объяснить происхождение пассатов. Эти замкнутые области почти смыкаются у экватора и простираются до 30 градуса северной и южной широты. На стыке ячеек Хэдли на Венере атмосфера должна быть наиболее спокойной, и колонии могут курсировать в области экватора там, где эти ячейки смыкаются. Тем не менее, время от времени возможны вторжения тропических воздушных масс в эти области, поэтому их придётся обходить, вероятно, ненадолго уводя колонию в более высокие слои атмосферы. Для этого потребовалось бы разработать систему раннего предупреждения.

Кроме воды на Венере практически неоткуда добывать лёгкие металлы, которые потребовались бы для ремонта корпуса колонии, солнечных батарей и ветряков, а также инфраструктуры. Доставка алюминия, титана, меди и более редких металлов с Земли — это сложнейшая задача (вероятно, подобные рейсы возможны в периоды сближения Венеры и Земли), но на описываемом этапе развития цивилизации вполне можно себе представить подгон на орбиту Венеры богатых металлами астероидов. Частично я затрагивал на Хабре эту тему в статье «Астероид как роскошь и средство передвижения».

Наконец, на Венере, как и на Марсе, отсутствует собственная магнитосфера, но Солнце с его смертоносными протуберанцами совсем рядом. Поэтому компас работать на Венере не будет, а для защиты колонистов, электроники и компьютеров придётся оборудовать полноценную искусственную магнитосферу, подобную описанной здесь (для колонизации Марса).

Миссия HAVOC

В финале статьи расскажу об одной несостоявшейся венерианской миссии, которая позиционировалась как прообраз таких атмосферных колоний. Проект назывался HAVOC (“Концепция высотного размещения на Венере”) и разрабатывался с 2014 по 2017 год, на Хабре о нём писал в конце 2014 года уважаемый Максим Агаджанов @marks. Авторами концепции выступили Дейл Арни и Крис Джонс из исследовательского центра НАСА в Лэнгли. Они планировали развернуть на 50-километровой высоте в венерианской атмосфере автономный аэростат, который выглядел следующим образом и достигал в длину 31 метр в роботизированной версии и примерно 130 метров — в пилотируемой:

Сверху этот дирижабль планировалось накрыть солнечными панелями общей площадью около 1000 квадратных метров, а в гондоле разместить капитанский мостик, каюты, рабочие отсеки и капсулу, на которой экипаж по завершении работ мог отправиться на венерианскую орбиту, откуда экипаж подобрала бы новая экспедиция и доставила домой.

Планировалась, что в первую экспедицию войдёт два астронавта, которые проведут в венерианской атмосфере 30 дней и уточнят её состав, а также структуру ветров в интересующем нас коридоре на высотах от 50 до 60 километров. Вторая экспедиция должна была пробыть в атмосфере Венеры около года, перемещаясь в облаках, изучая аэродинамику такого полёта и подыскивая место для долговременной базы. Аппарат должен был входить в атмосферу в защитной оболочке со скоростью около 7200 метров в секунду. В течение нескольких минут он должен был сбросить скорость до 450 метров в секунду, отбросить оболочку, выбросить парашют и, постепенно сбавляя скорость до 100 метров в секунду, надувать гелием баллон дирижабля. После полного раскрытия баллона аппарат должен был занять позицию на высоте 50 километров и далее дрейфовать вместе с ветрами, совершая оборот вокруг Венеры примерно за 110 часов. Днём, когда Венера хорошо освещена, солнечные батареи должны были заряжаться, а корабль двигаться к югу, а ночью, питаясь накопленной энергией, дрейфовать к северу, и так далее, пока не найдётся подходящее место для колонии.

Вместо заключения

При всей утопичности описанных здесь проектов я решил заново рассказать вам о них, так как они существенно расширяют наши представления о колонизации и жизнепригодности планет. Венера с её мощной атмосферой — это лаборатория для изучения внеземной погоды, инопланетных ветров, вязкости и текучести газовых волн, плавания в аэрозолях и выживания практически исключительно на солнечной энергии. В отличие от холодной марсианской пустыни венерианское пекло представляется средой, от которой когда‑нибудь удастся «отсечь всё лишнее» и обнаружить не только залежи ресурсов, сопоставимые по богатству с вымышленной «Урановой Голкондой», но и полигон для отработки долговременного пребывания в чужеродных атмосферах. В далёком будущем подобные проекты могут дать необходимые знания для изучения таких экзотических миров, как суперземли и гикеаны, а также помогут исследовать умирающие планеты, уже попавшие в ловушку взрывного парникового эффекта, но ещё содержащих в верхних слоях атмосферы достаточно водяного пара, чтобы их можно было посещать и исследовать.