Если учесть затраты на межпланетную транспортировку, станет очевидно, что, если большое человеческое общество будет когда-нибудь жить на других планетах, еду ему придется выращивать самостоятельно. В этом отношении Марс обладает огромным преимуществом по сравнению с нашей Луной и любым другим известным небесным телом (кроме Земли). Все четыре основных элемента органических соединений – водород, углерод, азот и кислород – легко доступны на Марсе. Есть мнение, что соединения углерода, вероятно, есть на астероидах; лунным зондам недавно удалось получить некоторые доказательства того, что в постоянно затененных южных областях естественного спутника Земли могут быть отложения льда. Но эти аргументы не относятся к делу, потому что самая большая проблема с Луной и со всеми другими безвоздушными космическими телами и искусственными свободно парящими в космосе колониями (вроде тех, что были предложены Джерардом О'Нилом [35]), состоит в том, что солнечный свет там недоступен в пригодной для выращивания сельскохозяйственных культур форме. Это чрезвычайно важно, но недостаточно хорошо осознано. Растениям требуются огромное количество энергии, которая может поступать только с солнечным светом. Например, один квадратный километр пахотных земель на Земле в полдень получает посредством солнечного света 1000 МВт – это сравнимо с потреблением американского города-миллионника. Иными словами, для того чтобы вырастить под искусственным светом столько сельскохозяйственной продукции, сколько производит в год крошечный Сальвадор, энергии не хватит у всех электростанции Земли, взятых в совокупности. Растения могут пережить уменьшение светового потока приблизительно в пять раз по сравнению с земными нормами, но получить урожай в сколько-нибудь значимом объеме уже не выйдет.

Проблема с использованием на Луне или в космосе естественного солнечного света заключается в том, что там он не экранируется никакой атмосферой (на Луне есть и еще одна трудноразрешимая проблема: двадцативосьмидневный суточный цикл, совершенно не приемлемый для земных растений). Солнечные вспышки губительны для жизни. Для того чтобы успешно выращивать сельскохозяйственные культуры в таких условиях, стены парника придется изготовить из стекла толщиной 10 сантиметров – что сделает использование значительных сельскохозяйственных площадей неприемлемо дорогим. Отражатели и другие направляющие свет устройства не решат эту проблему, если только не покрыть ими площадь, сравнимую с площадью засеянных участков.

Атмосфера Марса, напротив, достаточно плотная, чтобы защитить от солнечных вспышек культуры, выращиваемые на поверхности. На Марсе, как мы видели, легко можно развернуть большие надувные теплицы, защитить их геодезическими куполами и тем самым быстро подготовить огромные площади для сельскохозяйственных нужд. Тамошний уровень освещенности, составляющий 43 % от такового на Земле, достаточен для фотосинтеза, который, кстати, можно ускорить, если заполнить купола газовой смесью с большей концентрацией двуокиси углерода, нежели на Земле.

Мы уже знаем, что для того, чтобы поддерживать в жилом помещении диаметром 50 метров давление до 5 фунтов на квадратный дюйм, понадобится упрочненная кевларовая ткань для купола толщиной в 1 миллиметр. Однако растениям требуется лишь 0,7 фунта на квадратный дюйм, или 50 мбар, атмосферного давления смеси из 20 мбар азота, 20 мбар кислорода, 6 мбар паров воды и менее 1 мбар диоксида углерода. Если 50-миллиметровый купол будет использоваться только в качестве теплицы, нам хватит ткани толщиной всего 0,2 миллиметра. Такой купол, занимающий около 2000 квадратных метров (половину акра) пахотных земель, потребует ткани массой порядка одной тонны, но щит из оргстекла для такого купола по-прежнему будет иметь массу 4 тонны.

Массу плексигласового щита, закрывающего геодезический купол, можно уменьшить почти вдвое, если верхнюю полусферу сделать в форме линзы вместо традиционной. Такой купол легче возводить, поскольку его высота меньше. Также значительно сократится время, за которое сельскохозяйственные культуры наполнят кислородом атмосферу купола.

Однако, если растения могут переносить давление 0,7 фунта на квадратный дюйм, люди на это не способны, так что внутри таких куполов придется носить скафандры. Повышение давления под куполом до 2,5 фунта на квадратный дюйм исключит потребность в скафандрах. Однако до тех пор, пока на базе будет мало обрабатываемой земли, вероятно, лучше делать парниковые купола пригодными для обслуживания при том же давлении в 5 фунтов на квадратный дюйм, что и в жилых куполах. Тогда можно будет построить туннели, позволяющие людям без скафандров свободно, без необходимости герметизации и разгерметизации, передвигаться между двумя типами куполов. Более того, благодаря общим элементам в конструкции их массовое производство окажется проще, а еще люди смогут переселиться в бывшие теплицы, когда планета станет перенаселенной. Основное различие между этими двумя типами куполов будет состоять в допустимом парциальном давлении двуокиси углерода. В жилых куполах это значение следует ограничить типичным земным – около 0,4 мбар. А в теплицах нужно использовать намного более высокий уровень углекислого газа, около 7 миллибар (атмосферное марсианское давление), поскольку это должно значительно повысить урожайность (растения на Земле страдают от недостатка двуокиси углерода). Как мы уже видели, существует множество способов подачи в теплицу воды. Таким образом, основные предпосылки для сельского хозяйства – хорошо освещенная и увлажненная почва – создать на Марсе вполне реально.

Таблица 7.1. Сравнение питательных веществ для растений в почвах на Земле и Марсе

Насколько плодороден марсианский грунт? Трудно сказать, но на основании того, что нам известно сегодня, он, вполне вероятно, может оказаться отличной средой для выращивания культур – значительно лучшей, чем почвы в большинстве стран на Земле.

В табл. 7.1 сравнивается концентрация необходимых для растений питательных веществ в земных и марсианских грунтах (последние данные основаны на результатах «Викинга» и анализе SNC-метеоритов [36]).

Из табл. 7.1 видно, что в плане содержания большинства питательных веществ, необходимых для растений, марсианский грунт богаче, чем земной. Проблема там только с азотом, содержание которого не удалось измерить из-за ограничений конструкции рентгеновского флуоресцентного прибора «Викинга», использовавшегося для анализа состава почвы. Однако известно, что азот есть в атмосфере Марса, поэтому, если грунт вдруг окажется бедным нитратами, можно синтезировать аммиак и нитратные удобрения. В самом деле, те же реакторы Сабатье, использующиеся для производства метанового топлива, вполне реально приспособить и для производства аммиака, если в качестве исходного сырья взять азот и водород. Большинство удобрений на Земле производится именно в таких реакторах. Однако, согласно нашему сегодняшнему представлению о формировании планет, изначально на Марсе должно было быть то же содержание азота, что и на Земле, и его большая часть по-прежнему остается на планете, несомненно, в связанном виде в грунте, то есть в виде нитратов. Природные слои этих соединений наверняка будут обнаружены на Красной планете и обеспечат базу грузовиками удобрений.

Еще одно питательное вещество, которое необходимо для растений и которым, как сейчас кажется, бедны типичные марсианские грунты, – это калий. Вероятно, его в высоких концентрациях можно будет найти в соляных слоях, отложившихся на ныне сухих берегах древних водоемов Марса.

По физическим свойствам марсианский грунт может вполне подходить для выращивания сельскохозяйственных культур, так как кажется рыхлым и пористым. Как уже говорилось ранее, марсианские почвы содержат смектитовые глины. Это хорошая новость для будущих марсианских фермеров, потому что смектиты весьма эффективны при буферизации и стабилизации рН почвы в слегка кислую сторону, а также обеспечивают большой запас заменяемых питательных ионов благодаря своей высокой обменной способности.

Я уже рассказывал, что марсианские теплицы будут находиться под давлением в 5 фунтов на квадратный дюйм (340 мбар), что в три раза меньше, чем давление на уровне моря на Земле. Поскольку сила тяжести на Марсе составляет одну треть от земной, поддержание такой плотности атмосферы также сделает возможным полет насекомых – пчел, которые станут опылять растения. Первоначально купола будут просто находиться под давлением марсианской атмосферы (95 % диоксида углерода) с несколькими миллибарами искусственно сгенерированного кислорода, добавленного для того, чтобы обеспечить дыхание растений. Поэтому марсианские будут расти в парниковой среде, богатой двуокисью углерода, и эффективность фотосинтеза у них соответственно увеличится.

На Земле, в бедной углекислым газом среде, растения преобразуют солнечный свет в химически связанную энергию с эффективностью по меньшей около 1 %. (Общая экологическая эффективность леса или дикой степи значительно ниже, возможно, 0,1 %, но это потому, что мертвые растения разлагаются. Сами по себе растения значительно эффективнее, так что для сельскохозяйственного применения мы можем воспользоваться этим преимуществом и убирать зеленую массу до того, как она будет разложена бактериями.) Хорошая оценка эффективности фотосинтеза в среде, обогащенной углекислым газом, может составлять около 3 %. Если предположить, что купол диаметром 50 метров представляет собой правильную полусферу, получается, что растениям с такой эффективностью фотосинтеза, устилающим пол теплицы, понадобится примерно 310 дней, чтобы превратить практически весь имеющийся под куполом углекислый газ в кислород. А вот если использовать купол с линзообразной верхушкой (радиус кривизны 50 метров вместо обычных 25), время его заполнения кислородом уменьшится всего до восьми дней.

Окислитель, который, возможно, был обнаружен «Викингом» в марсианском грунте, не окажется проблемой, так как он разлагается на восстановленный материал и свободный кислород при контакте с водой. Под куполами ожидается влажная среда, и при циркуляции вода будет заставлять парниковые почвы быстро выделять запасенный ими кислород.

Мы все слышали доводы вегетарианцев в пользу отказа от употребления мяса: дескать, акр, засеянный кукурузой, может дать гораздо больше пищи для человека, чем акр, где растет трава для рогатого скота. Эти аргументы сомнительны на Земле, потому что голод на нашей планете вызван не глобальной нехваткой продовольствия, а отсутствием у голодающих денежных средств. А вот на Марсе, где, прежде чем использовать пахотную землю, ее придется создать, применяя купола и прочие приспособления, тезис вегетарианцев будет достоин внимания. Марсианскому сельскому хозяйству придется показать очень высокую эффективность. Включение в пищевую цепочку большого количества коров и быков, овец, коз, кроликов, кур и других теплокровных травоядных на самом деле очень неэффективно. Большая часть энергии растений, которую потребляют животные, идет на поддержание температуры их тела, и лишь очень малая когда-либо дойдет до вас.

Несколько лет назад некий автор написал ряд книг, в которых популяризировал идею о том, что козы способны стать ключом к животноводству в космосе. Они имеют удобные размеры, всеядны, быстро размножаются, дают молоко и т. д. Как бы то ни было, я родился в городе, но зрелые годы провел в сельской местности. Я видел, на что способны козы. Не оставляйте их рядом с вашим кевларовым куполом. Они его съедят.

С другой стороны, практически какое сельскохозяйственное растение ни возьми, люди не употребляют в пищу как минимум половину его массы. Например, в случае кукурузы, риса или пшеницы мы не едим их корни, стебли или листья. Вместо этого мы закапываем их обратно в почву, утешая себя мыслями, что тем самым поддерживаем ее плодородность. Но если бы это была наша истинная цель, мы бы лучше зарыли целое растение, иначе получается, что мы просто тратим энергию. Таким образом, если мы хотим быть эффективными, нам нужно найти способ использовать части растений, которые нельзя сразу съесть. Может, пришло время подключить к делу коз? Разве что нескольких, чтобы развлечь детей и занять службу безопасности базы, при марсианской гравитации козы будут с легкостью перепрыгивать через трехметровые заборы. Впрочем, есть идеи получше.

Одна из них – использование грибов. Так, в Университете Пердью (штат Индиана) финансируемый НАСА исследовательский центр космического сельского хозяйства выделил виды грибов, способные жить на частях растений, которые обычно идут в отходы, и превратил 70 % от их вещества в пищевой белок вроде соевого (а это уже значительно лучше, чем козы). Быстрорастущие грибы не нуждаются в свете, им достаточно темного, теплого помещения, отходов – например, стеблей кукурузы – и небольшого количества кислорода. Другими словами, вы можете содержать грибную плантацию в шкафу. Это, кстати, пример технологии, разработанной для экстремальных условий космоса и способной иметь множество применений для удовлетворения основных человеческих потребностей на Земле. Но если меню сплошь из грибов и фасоли кажется вам недостаточно разнообразным, у вас все еще есть надежда. Некоторые холоднокровные животные – такие как рыба тилапия – достаточно эффективно перерабатывают растительные отходы в высококачественный белок. Рыбные фермы на Марсе? А почему нет? Для выращивания тилапии вам не понадобится очень большой резервуар, а кроме того, рыбы не сбегут, чтобы съесть ваш купол.

Еще вам понадобятся плодоносящие фруктовые деревья. К тому же они обеспечат вас древесиной для изготовления мебели и т. п. Еще ее вместе с другими отходами растениеводства можно будет использоваться в пластмассовой промышленности, что позволит значительно увеличить разнообразие доступных материалов.