Какой самый экономичный способ испарить отложения CO₂ возле южного полюса Марса?

Исследование, процитированное в комментариях, указывает на то, что это действительно плохая идея и не приведет к ожидаемому результату, но если бы было решено, что CO2 следует испарять, маловероятно, что активные методы были бы наиболее экономичными.

Под «активными методами» я подразумеваю, что мы должны генерировать тепло для испарения с помощью таких средств, как горение, ядерные реакции и т. Д. «Пассивным» методом будет тот, который перенаправляет или концентрирует естественное доступное тепло, например, солнечная энергия. , геотермальная энергия и др.

В своем ответе на этот вопрос я резюмирую и предоставляю ссылки на источники, касающиеся концепции орбиты с полюсом, в высшей степени некеплеровской орбиты. Такой наблюдатель на полюсе может использовать солнечный парус, чтобы оставаться в поле зрения полярной области планеты, как показано на рис. 1 ниже. Я не упомянул гравитационную силу Солнца и центробежную силу гелиоцентрической орбиты, потому что, если полюс-сидящий не находится на большом расстоянии от планеты, эти силы относительно малы. Кроме того, речь идет о резервуаре CO2 на южном полюсе; предположим, что в моих цифрах север находится внизу .

Электрическая двигательная установка также может поддерживать полярную орбиту, но в этом случае мы будем использовать отраженный солнечный свет от солнечного паруса, и не потребуется никакого топлива, что является значительным преимуществом, если проект займет столетия.

В этом случае парус можно спроектировать таким образом, чтобы он концентрировал отраженную солнечную энергию на южном полюсе Марса, повышая там среднюю температуру и в конечном итоге испаряя углекислый газ. «В конце концов», вероятно, означает десятилетия или столетия; это зависит от размера паруса. Такой парус не нуждался бы в большом космическом корабле (с точки зрения массы) для управления им, поэтому общая плотность системы приближалась бы к предельной плотности площади паруса и его несущей конструкции.

Эта низкая плотность важна по двум причинам. Первое: этот парус будет большим . Когда вы говорите об испарении 12 000 кубических километров CO2, любой метод, который вы используете, будет включать в себя что- тов большом масштабе. Количество солнечного света, которое вам нужно перенаправить на полюс, будет очень большим, а для этого потребуется большая отражающая площадь. Меньшая плотность означает меньшую массу, необходимую для построения системы. Во-вторых, чем ниже плотность системы, тем выше угол возвышения над горизонтом полюса, на котором находится полюс-ситтер, тем лучше распределение энергии. На рис. 2 ниже это означает, что угол между зеленой стрелкой «угла обзора» и осью вращения планеты меньше. Может оказаться, что из-за увеличения доли структурной массы по мере того, как парус превышает определенный размер, созвездие меньших парусов может быть лучше.

Есть проблема, с которой столкнутся дизайнеры. Геометрия Солнце-планета-полюсник не зависит от угла наклона планеты , наклона ее экваториальной плоскости по отношению к плоскости ее орбиты, поэтому полярник всегда немного дальше от Солнца, чем планета. Это необходимо для того, чтобы все различные векторы сил (гравитация, центробежная сила, сила паруса и т. д.) складывались должным образом. Эта геометрия вращается вместе с вращением Марса вокруг Солнца, чтобы удерживать полюс-ситтер на противоположной Солнцу стороне Марса. Наклон Марса составляет ~25 градусов, чуть больше, чем у Земли, и этот наклон невращаться вместе с обращением Марса вокруг Солнца. В течение части марсианского года полюс будет более или менее ориентирован в сторону сидящего на полюсе, что даст хорошую геометрию освещения, как показано на рис. 2. Но через полмарсианского года полюс будет больше ориентирован в сторону Солнца, и наблюдатель на полюсе увидит полярную область вблизи лимба планеты (или даже за ней), как показано на рис. 3. (Упс. Я только что заметил, что забыл поменять направление стрелки «Солнечный свет» на рис. 3. Он должен указывать налево, а не направо.) Это приводит к плохой или даже невозможной геометрии освещения. Затраты энергии на испарение могут быть очень сезонными.

При разработке этой системы потребуется проанализировать несколько сделок, например, сделка «один большой парус или много меньших парусов». Я не делал ничего из этого! (Как сказал бы Гомер Пайл: «Ну -приз, так -приз!» ) Я подожду, пока один из моих клиентов не заплатит мне за эту работу .

Интересен геотермальный вариант. Там также будет какая-то крупномасштабная инженерия. Будет ли охлаждение значительной части мантии Марса сопряжено с геологической опасностью?

Вы могли бы заметить, что я стараюсь избегать методов, которые подбрасывают в воздух большие массы камней, грязи, пыли и туземцев, т. е. мощных взрывов. Но есть методы, которые включают в себя это, в том числе ядерные взрывы в резервуаре CO2, столкновение небольшого астероида или кометы с резервуаром и т. д., и эти методы имеют преимущество в том, что проект завершается в относительно короткие сроки — и они также имеют определенные недостатки . (дополнительное преимущество кометы: много летучих веществ, включая воду!) Изменение орбиты кометы или астероида размером в несколько километров для удара может оказаться дешевле, чем решение с полюсом... но вы бы лучше, чтобы никто не жил на Марсе, когда вы делаете это!

Во-первых, испарить 12 тысяч кубических километров СО2 на другой планете будет совсем не "экономно" (в смысле "дешево")! Даже если бы на месторождении был «переключатель», к которому вам нужно просто прикоснуться, чтобы он сработал, роботизированная миссия на Марс, чтобы нажать этот переключатель, обошлась бы в миллионы :) Это потребует много работы… но сколько именно?

Сколько энергии нам нужно

Я бы начал с расчета энергии, необходимой для испарения этого отложения CO2. Нам нужно достаточно энергии, чтобы нагреть CO2 до температуры, при которой он испарится, плюс энергия, чтобы заставить его испаряться (энтальпия). Чтобы рассчитать это, нам нужно знать текущую температуру CO2, давление, взглянуть на фазовую диаграмму CO2, а также знать общую массу, которую мы хотим испарить.

Согласно этой статье , масса этого месторождения составляет 2,4 х 10$^1$$^6$кг (а объем фактически 14800 кубических километров по уточненной оценке).

Что касается температуры, то в той статье говорится, что среднегодовая температура поверхности составляет 155К. Здесь мы сделаем упрощающее предположение и предположим, что все отложения имеют эту температуру (на самом деле она может быть выше, поэтому ее легче испарить: см. Геотермический градиент и этот ответ здесь ).

В статье упоминается, что среднее поверхностное давление Марса составляет 610 Па. Я сделаю очень упрощающее предположение и скажу, что весь лед CO2, который мы собираемся испарить, будет находиться под этим давлением (представьте, что мы испаряем его слой за слоем). и как-то поддерживать постоянное атмосферное давление...).

В других статьях [источник?] также упоминается, что СО2 действительно сублимирует в этих условиях (155 К, 610 Па). Если вы посмотрите вокруг на диаграмму фаз CO2, она часто будет выглядеть так:

К сожалению, интересующая нас область с очень низким давлением и температурой не показана. Также оказалось трудным найти энтальпию сублимации в этих условиях. Лучшее близкое значение, которое я нашел, находится в этой статье , в которой упоминается другая статья со значением скрытой теплоты сублимации 613 кДж/кг при 121 К. Это на 34 К меньше, чем нам нужно, и, к сожалению, у меня нет оценки большей части значение может быть далеко. ( Внимание! Наша окончательная оценка может быть далекой! )

В любом случае, если предположить, что это достаточно правильно, нам нужно 2,4 x 10$^1$$^6$* 613 = 1,47 х 10$^1$$^9$кДж для испарения отложений CO2.

Стань ядерным!

Для сравнения, « Царь-бомба », самое мощное ядерное оружие из когда-либо созданных, имела мощность 210 ПДж (ПДж = 10$^1$$^5$Дж). Таким образом, нам потребуется примерно 70 из них, чтобы испарить весь лед CO2 (при условии, что мы могли бы перенаправить ВЕСЬ выход ядерного оружия в виде тепла в лед — очень нереалистичная оценка эффективности).

К сожалению, одна «Царь-бомба» весит 27 000 кг, и ни одна из современных систем орбитального запуска не способна доставить такой вес на Марс. Судя по списку, лучшим выбором кажется Falcon Heavy, который может доставить на Марс 16800 кг. Предположим, что мы можем построить меньшую Царь-бомбу с линейным уменьшением их мощности, т.е. маленькую Царь-бомбу весом 16800 кг и мощностью 130 ПДж. Нам понадобится около 113 таких «маленьких Царь-бомб», то есть 113 запусков Falcon Heavy.

Согласно https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_Heavy#Launch_prices , вы можете получить полностью одноразовый запуск Falcon Heavy за 150 миллионов. Это означает, что вы можете запустить все эти бомбы всего за 16950 миллионов долларов, меньше 17 миллиардов .

Это может быть дешевле, чем разработка массивных солнечных парусов или гигантских зеркал радиусом 100 км .

Также учтите:

ПЛЮСЫ:

• Илон Маск выступает за терраформирование Марса с помощью термоядерного оружия , поэтому вы можете получить скидки

• Может быть, вам не нужно испарять все это, вам нужно просто испарить часть этого, и тогда вы дестабилизируете равновесие Марса, так что остальное испарится само собой (т.е. в качестве простого примера в первой статье упоминаются три слоя водяной лед, который стабилизирует отложения... что, если испарить достаточно, чтобы все эти слои исчезли?)

МИНУСЫ:

• Мы предполагали, что вся энергия бомб уходит на испарение льда из СО2.

• Мы просто предположили, что лед просто испаряется и уходит (т.е. мы не моделировали, как уже испарившийся лед изменит условия для испарения остального, и не моделировали окружающую атмосферу, воду, камни и т.д.)

• Мы не учитывали затраты на разработку/производство этих бомб.

• Вам может понадобиться дополнительное оборудование/соображения для координации бомб, чтобы они попали в депозит скоординированным образом (вы не хотите испарять только немного его ... и видеть, как он снова превращается в лед до того, как попадут следующие бомбы)

• Мы не учли, что находится поверх этих отложений (я полагаю, слой водяного льда), и нам нужно испарить и это.

Но в конце концов, это всего лишь приблизительный базовый уровень.... получайте удовольствие и не пытайтесь повторить это дома :)

Почему бы просто не ударить его астероидом? Другими словами, используйте маневры перенаправления астероида, чтобы отправить астероид в месторождение, тем самым отправив обломки в атмосферу.

Глядя на количество CO ₂ , которое мы хотим испарить, мы можем ожидать, что потребуется много энергии. Если мы любезно украдем расчетную BlueCoder потребность в энергии, мы увидим, что это тот же порядок величины, что и количество энергии, хранящейся в мировых запасах урана-238. ^{[ 1 ]} Это предпочтет пассивный метод активному.

Из пассивных методов моим личным фаворитом была бы искусственная магнитосфера.

Компьютерные модели НАСА показывают, что размещение магнита мощностью 1-2 Тесла в L1 сможет защитить Марс от части входящего солнечного ветра. ^{[ 2 ]} Что, в первую очередь, является причиной того, что Марс потерял большую часть своей атмосферы. При такой защите атмосфера со временем будет медленно сгущаться, медленно повышая температуру. Что, в свою очередь, вызовет большее испарение, запуская цепную реакцию до тех пор, пока запасы CO _{2 не будут исчерпаны.}

Хотя это будет не самый быстрый подход, он будет очень рентабельным. И в качестве дополнительного бонуса создайте некоторую защиту для новых колонистов.