Учёные предложили удвоить солнечный свет на Марсе с помощью гигантских орбитальных зеркал
Учёные предложили разместить на орбите Марса систему огромных солнечных отражателей, которая сможет направлять дополнительный свет на будущие человеческие базы и примерно вдвое увеличить количество получаемой ими солнечной энергии. Такая система потенциально упростит производство электроэнергии, обогрев инфраструктуры и получение воды из марсианского льда.
Марс получает значительно меньше солнечной энергии, чем Земля, поскольку находится дальше от Солнца. Это создаёт дополнительные сложности для будущих пилотируемых миссий: солнечные панели производят меньше электроэнергии, а низкие температуры увеличивают затраты энергии на поддержание пригодных для жизни условий.
Вместо строительства одного гигантского неподвижного зеркала исследователи рассматривают систему чрезвычайно лёгких отражателей, движущихся по солнечно-синхронным орбитам вокруг Марса. Их поверхность должна отражать солнечный свет в направлении выбранного участка планеты, где расположена база. Авторы рассчитали параметры орбит и необходимую площадь отражателей, чтобы в среднем удвоить поток солнечной энергии на поверхности.
По расчётам, для базы, занимающей область радиусом около одного километра на широте 40° северной широты, один квадратный километр орбитального отражателя сможет обеспечить в среднем примерно 0,6 МВт дополнительной мощности в течение марсианского года. Для удвоения среднего количества солнечной энергии на таком участке потребуется суммарная площадь отражателей порядка 750 км².
Несмотря на огромную площадь, система не обязательно должна представлять собой единую конструкцию размером в сотни квадратных километров. Предполагается использование множества очень тонких и лёгких отражающих аппаратов. Авторы считают, что концепция становится потенциально осуществимой, если удастся создать конструкции с поверхностной плотностью около 20 г/м². Это примерно в семь раз легче по этому показателю, чем уже испытанные в космосе солнечные паруса.
Отражатели смогут использовать давление солнечного излучения не только для движения, но и для поддержания необходимых орбит. Расчёты показывают, что сочетание управления ориентацией и принципа солнечного паруса позволит компенсировать орбитальные возмущения без расходования топлива. Это особенно важно для системы, которая должна работать продолжительное время и включать большое количество аппаратов.
Ещё одна особенность концепции заключается в способе доставки отражателей к Марсу. Исследователи предлагают запускать их на низкую околоземную орбиту, после чего использовать давление солнечного света для самостоятельного перелёта к Красной планете. В таком случае не потребуется разгонять всю систему к Марсу традиционной ракетной ступенью, а затем выполнять посадку массивного оборудования на поверхность. Это может заметно уменьшить стоимость развёртывания орбитальной инфраструктуры.
При принятых авторами предположениях система площадью около 750 км² с поверхностной плотностью 20 г/м² могла бы стоить примерно 3,5 млрд долларов. Расчёт предполагает стоимость запуска около 100 долларов за килограмм, такую же стоимость производства на килограмм и около 500 млн долларов на исследования и разработку. При снижении поверхностной плотности до 10 г/м² оценочная стоимость уменьшается примерно до 2 млрд долларов.
Дополнительный солнечный свет может использоваться не только солнечными электростанциями. Он способен нагревать поверхность и облегчать извлечение воды из залежей льда. Поэтому особенно привлекательными могут оказаться районы, где водяной лёд находится сравнительно близко к поверхности. Однако при локальном нагревании открытый лёд будет сублимировать, а водяной пар со временем сможет перемещаться в более холодные районы, поэтому добываемую воду потребуется удерживать и собирать.
Авторы рассматривают и значительно более масштабное применение технологии — изменение климата Марса. Теоретически орбитальные отражатели можно направить на залежи замёрзшего углекислого газа в районе южной полярной шапки. Их нагрев мог бы вызвать сублимацию CO₂ и увеличить количество углекислого газа в атмосфере. Однако для подобных проектов потребуются ещё более лёгкие конструкции с поверхностной плотностью менее 5 г/м².
Главным препятствием остаётся создание самих отражателей. Они должны одновременно иметь чрезвычайно малую массу, точно менять ориентацию, сохранять сильное натяжение мембраны для уменьшения складок и достаточно точно направлять отражённый свет на небольшой участок поверхности Марса. Кроме того, такие аппараты необходимо будет производить массово, поскольку для создания огромной суммарной отражающей площади потребуется целая орбитальная группировка.
Таким образом, исследование не предлагает готовую систему, которую можно построить с использованием существующих аппаратов. Оно показывает инженерные параметры, при которых орбитальные отражатели могут стать практически интересным способом энергетической поддержки будущего поселения на Марсе. Ключевой технологической задачей станет создание сверхлёгких управляемых отражающих конструкций, значительно превосходящих современные солнечные паруса по отношению площади к массе.
Исследование в виде препринта на arXiv.