27 September 2019

Марс прокормит миллион поселенцев. Учёные разработали стратегию для марсианской колонии на первые 100 лет

Popular scienceAstronauticsScience fictionThe future is here

Марсианский город. Изображение из твиттера Илона Маска

В научно-фантастической книге и фильме «Марсианин» астронавт выжил более 500 дней на Марсе, выращивая картофель. Реальная человеческая колония должна полностью обеспечивать себя пропитанием. И не только картофелем, а всеми веществами, необходимыми для жизни. Согласно компьютерной модели, разработанной физиками из университета Центральной Флориды, это вполне реально. Учёные рассчитали, что определённый набор растительных культур, насекомых и искусственного мяса из биореактора позволит примерно через 53 года (около 100 земных лет) увеличить население до миллиона человек, и к этому времени колония не будет зависеть от продуктов питания с Земли.

Научная статья опубликована 30 августа 2019 года в журнале New Space (doi: 10.1089/space.2019.0018).

Компании вроде SpaceX многое сделали для того, чтобы доставить людей на Марс. У НАСА расписан план полётов на Красную планету на десятилетия. Но мало кто задумывается, как на самом деле организовать долговременное поселение.

Например, план Human Exploration of Mars Design Reference Architecture 5.0 от НАСА предполагает организацию аванпостов с возвратом людей на Землю. Они не предполагают, что люди останутся жить на Марсе. Поэтому НАСА не продумывает, как использовать местные ресурсы для поддержания жизни поселенцев, за исключением ограниченного случая производства топлива для аппарата Mars Ascent Vehicle, который должен взлететь с поверхности.

Растения или другие продукты, произведённые на поверхности Марса, рассматриваются только в качестве второстепенной пищевой добавки, как на Международной космической станции. В недавнем проекте Evolvable Mars Campaign предприняты некоторые шаги к устойчивому присутствию, но он всё равно предусматривает только небольшие экипажи и короткие вылеты.

Появление коммерческих космических компаний с амбициозными целями может нарушить эти канонические архитектуры, считают авторы научной работы. Заявленная цель SpaceX — создать на Марсе независимую цивилизацию, с отправкой грузовых кораблей, а затем экипажей. Первые запуски планируются уже через три-пять лет. Ракеты для транспортной системы уже строятся и тестируются. Подробные планы не были опубликованы, но примерный расчёт SpaceX такой:

  1. Первоначальный экипаж около 12 человек.
  2. Корабли по 100-200 пассажиров отправляются партиями в окнах, которые открываются каждые 26 месяцев.
  3. Создание постоянной колонии примерно из 106 поселенцев через 50-100 земных лет.

Наладив транспортное сообщение, SpaceX надеется стимулировать корпорации и частных лиц переезжать на Марс и развивать проекты для поддержки растущего поселения. В этих масштабах использование марсианских ресурсов (in situ resource utilization, ISRU) станет неизбежным по экономическим причинам, хотя никак не обойтись от грузовых кораблей снабжения с Земли для таких материалов, как уран и металлы платиновой группы, концентрация которых в марсианской коре может быть слишком мала для добычи. Эти элементы особенно полезны для ядерной энергетики (уран) и производства электроники (металлы).

Выращивание продуктов питания на Марсе станет одним из наиболее сложных процессов ISRU, но для поддержания постоянной среды обитания других вариантов нет.

Пять основных типов материалов для марсианского поселения:

  • энергоносители;
  • вода;
  • кислород;
  • строительные материалы;
  • пища.

Первые четыре в изобилии присутствуют на Марсе в извлекаемой форме:

  • солнечная энергия, вероятно, дополненная ядерными реакторами;
  • гидратированные минералы и лёд;
  • атмосферный CO2;
  • производные реголита для строительных материалов.

А вот пища не доступна и не может быть легко создана из сырья, присутствующего на Марсе (т. е. в простом химическом реакторе). Это ставит вопрос, как миллион человек будут питаться на планете без флоры и фауны. Полагаться на продукты питания с Земли — плохое решение. По мере роста населения Марса оно будет всё больше зависеть от Земли. Это противоречит идее самодостаточной цивилизации.

Продовольствие должно производиться на Марсе с использованием местных ресурсов. Авторы научной статьи оценили различные источники питания и количественно смоделировали баланс между продуктами питания, произведёнными локально на Марсе и импортированными с Земли. Учитывая прогнозируемую доставку человека коммерческими рейсами на Марс уже в середине 2020-х годов, они не считают это обсуждение далёкой научной фантастикой. Напротив, это крайне практический вопрос, который следует учитывать при разработке марсианского поселения.

Источники питания и пищевая промышленность


По мнению авторов, на Марсе можно получить продукты, более-менее аналогичные земным. Но есть и отличия. Во-первых, на Марсе придётся жить без продукции животноводства, молочных продуктов, яиц и выращенного на ферме животного белка. Всё это непомерно расходует энергию, землю и воду. Выращивание животных для получения молока и мяса на Марсе в ближайшем будущем не практично из-за проблем транспортировки крупных животных в космосе и типов сооружений, необходимых для их размещения на поверхности.

Кроме того, земные методы фабричного земледелия тоже неприемлемы. Модели и эксперименты по биорегенеративным системам жизнеобеспечения (BLSS) часто предполагают на 100% растительный рацион. Но, несмотря на шумиху вокруг вегетарианства, его фактическая распространённость на Земле остаётся очень низкой и она не увеличилась значительно в последние десятилетия.

Как показали исследования, около 84% людей, которые переходят на вегетарианскую диету, возвращаются к употреблению мяса. Большинство людей просто не хотят питаться растительной пищей, поэтому на Марсе необходимо выращивать животный белок. Авторы предполагают включение в рацион продуктов на основе насекомых и искусственное мясо. Основываясь на тенденциях потребления на Земле, свободная рыночная система на Марсе должна обеспечить достаточно богатый выбор для колонистов, далеко за пределами растительных вариантов. Так в современных продуктовых магазинах США представлено от 40 000 до 50 000 уникальных наименований продуктов, по сравнению всего с 7000 в конце 90-х годов.

Модель питания


Таким образом, модель питания на Марсе включает в себя три источника:

  • растительная пища;
  • насекомые;
  • искусственное мясо.

Основываясь на этих источниках питания, учёные построили компьютерную модель для расчёта потребностей в пище минимум 1 миллиона марсианских колонистов. Согласно модели, они достигнут продовольственной самодостаточности в течение 53 марсианских лет (около 100 земных лет) или раньше.

В модели учитывалась транспортная архитектура, подобная SpaceX, но анализ достаточно общий, чтобы не привязывать его к конкретной компании.

Марсианское население начинается с первоначального экипажа из 12 человек, затем увеличивается естественным образом, а также за счёт миграции в каждом окне запуска, которое появляется каждые 26 месяцев (с линейным увеличением числа кораблей за одно окно).

В эталонной модели используется грубый коэффициент рождаемости 10 на 1000 человек в год, типичный для развитых стран.

Для первоначального экипажа принято возрастное распределение со средним значением 35 и стандартным отклонением 5, в то время как у последующих мигрантов больший возрастной разброс (стандартное отклонение = 10). Смертность взята из земных актуарных таблиц и скорректирована на продолжительность марсианского года: это упрощение предполагает, что более высокие показатели смертности на Марсе будут примерно сбалансированы с будущими достижениями в области медицинских технологий. Тем не менее, возможен значительный прогресс в исследованиях по борьбе со старением.

Потребности в калориях основаны на соотношении 50% мужчин и 50% женщин, активном образе жизни, скорректированы на возраст каждого жителя Марса и, наконец, масштабированы на более длинные марсианские сутки. Для учёта продовольственной безопасности, порчи и запаса семян на следующую посадку добавлена маржа в размере 20%. Авторы также предположили, что с первыми колонистами на Марс будет доставлено 2×105 кг упакованных продуктов питания.

В модель включена регулируемая задержка для учёта времени, необходимого компаниям для строительства первых фабрик по производству пищевых продуктов. После этого местное производство продуктов питания должно догнать потребности растущего населения (линейно или экспоненциально).

Цель модели состоит в том, чтобы количественно оценить потребности в калориях и связанное с этим землепользование для самодостаточного поселения, а также определить, какие параметры позволят: (1) сократить количество грузовых судов, необходимых для снабжения продовольствием, и (2) облегчить переход к производству 100% калорий на местном уровне. Ограничивающим фактором в производстве пищи на Марсе, вероятно, будет площадь территории, пригодной для выращивания и производства продуктов.

Базовый рацион


Для расчёта необходимой площади территории использовался упрощённый рацион. Он состоит из основных растительных культур, продуктов на основе насекомых (сверчки) и искусственного мяса (курятина). Состав основных растительных культур получен из среднего содержания макроэлементов в пшенице, кукурузе, сладком картофеле и сое и их текущей урожайности на Земле, хотя достижения в гидропонике позволяют в несколько раз повысить урожайность. Вероятно, её можно также повысить с дальнейшей генетической модификацией, повышением концентрации CO2 и освещения растений.

Данные о пищевой ценности сверчков взяты из открытых источников, а урожайность (в кг/м²) — из деятельности реальной сверчковой фермы на Земле.

Для искусственного мяса использовались показатели курятины, с учётом земли, необходимой для производства цианобактерий в качестве исходного сырья для биореактора.

Базовый рацион распределён на 40% углеводов, 30% белков и 30% жиров. На 2000 килокалорий приходится 934 грамма пищевой массы с соотношением растений, мяса и насекомых как 3:3:1. На самом деле, для разнообразия можно производить многие различные культуры, виды насекомых и мяса/морепродуктов: в настоящее время нет смысла создавать подробное гипотетические меню, а свободный рынок производителей и потребителей продуктов питания в конечном итоге определит, какие типы продуктов будут реально доступны на Марсе.

Источники пищи в упрощённом базовом марсианском рационе
Еда ккал углеводы /100 г ккал белки / 100 г ккал жиры / 100 г Урожайность (кг/м²/цикл) Продолжительность цикла (земных дней) Площадь земли (м²/кг/марсианский год)
Основные растительные культуры 199.0 57.1 60.0 1.6 110 0.0959
Насекомые (сверчки) 20.4 51.6 49.5 9.0 45 0.0083
Искусственное мясо (курятина) 0.2 69.8 72.9 4.4 60 0.0201

Результаты моделирования


Эталонная модель основана на разумных предположениях для поселения на Марсе: более низкая естественная рождаемость, задержка на пять марсианских лет до начала серьёзного производства местных продуктов питания и линейное увеличение доли местных калорий, чтобы догнать рост населения в течение 53 марсианских лет. В эталонной модели население Марса выросло с 12 человек до 1 000 281 человека (рис. 1).


Рис. 1. Рост населения Марса

Общее число мигрантов на Марс составило 1 032 355 человек, а число естественно родившихся — 342 086. При 150 пассажирах для перевозки потребуется 6905 кораблей с экипажем, что в среднем составляет 150 судов на одно окно запуска, если отправлять их равномерно. В этой модели не учитывались люди, которые возвращаются, хотя это, конечно, возможно в реальности.

На рис. 2 показана возрастная демография населения в конце эталонной модели, а также модель с более высоким естественным коэффициентом рождаемости.


Рис. 2. Возраст марсианских колонистов

Если бы на Марсе не производилось местное продовольствие, то для прокорма такого населения в течение 53 марсианских лет потребовалось бы 194 361 судно c 105 кг упакованных продуктов питания. При местном производстве продовольствия для обеспечения колонии по-прежнему требуются поставки с Земли но в четыре раза меньше: всего 53 719 грузовых судов. Количество импортируемых продуктов питания к концу модели уменьшается до нуля после пика на 32-м году (рис. 3).


Рис. 3. Общая потребность в калориях по эталонной модели (сплошная чёрная линия), разбитая на продукты питания, произведенные локально на Марсе (серые точки) и импоруемые продукты питания (жёлтый пунктир)

Общая площадь территории для производства продуктов питания к концу модели составляет 4,6×107 м² (46 м² на душу населения), причём на растения приходится 81% этой площади, на материалы для биореактора — 17%, а на насекомых — всего 2% (рис. 4). Если все продукты питания будут производиться в туннелях диаметром 3,7 метра с плоским полом на 1/4 высоты туннеля, то к концу 53-го марсианского года необходимо будет ввести в эксплуатацию 14 500 км сегментов туннелей (которые можно укладывать вертикально). Это осуществимо с помощью одного тоннелепроходческого комплекса из расчёта скорости прокладки 50 метров в час, что соответствует характеристикам будущего концепта Prufrock, который разрабатывает Boring Company Илона Маска.


Рис. 4. Общая площадь, необходимая для производства продуктов питания в эталонной модели, разбито по источникам питания

Параметры модели могут быть скорректированы таким образом, чтобы уменьшить общее количество импортируемых продуктов питания, темпы строительства новых объектов пищевой промышленности в первые годы или и то, и другое (рис. 5).


Рис. 5. Доля калорий, произведённых в течение времени, по разным стратегиям достижения продовольственной самодостаточности

«Я думаю, что в долгосрочной перспективе реальная задача состоит в том, чтобы начать производить всё необходимое из местных материалов на Марсе», — говорит Кевин Кэннон, соавтор научной работы. Он открыл веб-сайт EatLikeAMartian.org с каталогом конкретных продуктов и предприятий на Земле, которые сегодня производят точно такую пищу по тем же техническим процессам, которые будут использоваться на Марсе: вертикальные фермы, гидропоника и т. д.


Выращивание растений в подземных туннелях уже практикуется на Земле

То есть при желании можно прямо сейчас перейти на марсианскую диету, если будущий поселенец хочет испытать её заранее, до рейса. Такая апробация может снизить количество «возвращенцев», так что для обратных рейсов на Землю понадобится меньше топлива.


Марсианский рацион. Иллюстрация: сайт EatlLkeAMartian.org

Продукты на сайте включают в себя бобы, помидоры и картофель, а также генно-модифицированные растения с увеличенным содержанием питательных веществ. Многие компании производят продукты из насекомых. Их тоже могут попробовать будущие марсиане.
Tags:МарсколонияИлон МаскSpaceXрацион питаниясельское хозяйствосверчки
Hubs: Popular science Astronautics Science fiction The future is here
+32
13.3k 26
Comments 206