Среди проектов, связанных с космосом, у мечтателей популярностью пользуется терраформирование планет – преобразование условий на них в подобные земным и пригодные для жизни человека. Правда, реализованы они все пока только в области художественной литературы, а именно в научной фантастике – думаю, что каждый, читающий эти строки, без труда вспомнит хотя бы пару таких произведений. Тем не менее попытки придумать способы сделать пригодными для обитания некоторые планеты Солнечной системы вполне себе обсуждаются и в научном сообществе, несмотря на утопичность самих этих способов (на данный момент развития человечества и его технологий). Вот и мне захотелось пофантазировать на тему терраформирования Венеры. Что мы имеем по условиям на ней в текущий момент? В Википедии нетрудно отыскать следующую информацию по этой планете: Средний радиус Венеры R: 6,052⸱106 м; Ускорение свободного падения на экваторе g: 8,87 м/с2; Среднее давление атмосферы у поверхности p: 9,3⸱106 Па; Средняя температура у поверхности, T: 464 °С (737 К); Основные компоненты атмосферы: углекислый газ CO2 – 96,5%, азот N2 – 3,5% [1]. Легко видеть, что, пожалуй, главной причиной некомфортности пребывания человека на Венере будет её атмосфера, состоящая почти целиком из углекислого газа, создающая у поверхности огромное давление и мощный парниковый эффект, из-за которого и температура у той же поверхности просто адская. Первое, что хочется сделать с углекислотой – как-то химически её связать и в этом случае лично мне наиболее подходящим на эту роль реагентом представляется оксид кальция, который способен реагировать с CO2 с образованием карбоната:
Теперь сделаем следующее допущение: в будущем человечество стало настолько крутым, что может себе позволить такую роскошь, как длительную массированную бомбёжку Венеры кусками оксида кальция (ну, например, в промышленных масштабах люди ловят мелкие каменные астероиды, расщепляют их материал до атомов и выбирают из них кальций с кислородом, после чего штампуют кирпичи из CaO) вплоть до полного поглощения углекислого газа из венерианской атмосферы. Чем такой способ связывания CO2 был бы хорош? Во-первых, хотя приведённая выше реакция и обратима, но поскольку она идёт с уменьшением объёма (CO2 поглощается), то в соответствии с принципом Ле Шателье высокое давление атмосферы будет прекрасно способствовать смещению равновесия вправо (то есть в сторону образования карбоната кальция). Реакция, конечно, ещё и экзотермична (идёт с выделением тепла), однако стоит помнить, что обратная реакция (разложение карбоната кальция) проводится на Земле при промышленном обжиге известняка (получении негашёной извести), а для этого требуется температура выше 900 °C, что ниже средней температуры на поверхности Венеры. Также не стоит забывать, что обжиг успешно проходит ещё и по другой причине – образующийся углекислый газ удаляется из зоны реакции, которая проводится в специальных печах, то есть условия обжига известняка специально создаются сильно неравновесными. Во-вторых, использование CaO с засыпкой его прямо с орбиты также позволяет решить проблему с ещё одной «милой» чертой Венеры – облаками из концентрированной серной кислоты H2SO4, поскольку оксид кальция будет реагировать и с ней, нейтрализуя её: CaO + H2SO4 = CaSO4 + H2O В-третьих, Венера находится ближе к Солнцу, чем Земля, поэтому имеет смысл позаботиться и о сохранении высокого альбедо планеты (степени её белизны, позволяющей значительную долю света отражать обратно в космос, а не нагреваться за счёт этого). Сейчас альбедо Венеры обеспечивается всё теми же облаками из серной кислоты, но вместо них аналогично могут работать и карбонат, и сульфат кальция (CaSO4), которые в мелкораздробленном виде имеют белый цвет. Ну а теперь пора попробовать получить кое-какие конкретные числа касающиеся рассматриваемого способа преобразования планеты. Массу атмосферы Венеры можно вычислить по формуле из книги Бялко А.В. «Наша планета – Земля» [2, с. 107], где приведён и её вывод:
Подставляем данные и получаем: mатм. = 4 ∙ 3,14 ∙ 9,3∙106 ∙ (6,052∙106)2 / 8,87 = 4,82∙1020 кг. Теперь вычислим массу углекислого газа с учётом его концентрации в атмосфере: m(CO2) = 4,82⸱1020 ⸱ 0,965 = 4,65⸱1020 кг В соответствии с уравнением реакции (1) при взаимодействии 1 моль оксида кальция с 1 моль углекислого газа образуется 1 моль карбоната кальция. С учётом молярных масс данных веществ (0,056 кг/моль, 0,044 кг/моль и 0,1 кг/моль соответственно) можно сказать, что 0,56 кг CaO при взаимодействии с 0,44 кг CO2 дают 1 кг CaCO3. Если составить две простенькие пропорции, то из них можно получить такие значения: 1. Масса требующегося оксида кальция составит величину m(CaO) = 0,56 / 0,44 ⸱ 4,65⸱1020 = 5,92⸱1020 кг; 2. При этом образуется карбонат кальция в количестве равном m(CaCO3) = 1 / 0,44 ⸱ 4,65⸱1020 = 1,06⸱1021 кг. По первому числу можно сказать следующее. Если весь необходимый CaO «слепить» в сферу, то с учётом плотности оксида кальция, равной ρ(CaO) = 3370 кг/м3 [3], её диаметр должен будет составить:
Образовавшийся при взаимодействии с венерианским воздухом карбонат кальция должен будет осесть на поверхность планеты. Если предположить, что он будет представлен в виде минерала кальцита, имеющего плотность ρ(CaCO3) = 2720 кг/м3 [4, с. 297], и распределится по поверхности ровным плотным (нерыхлым) слоем, то толщина последнего составит величину:
Последнее вычисление сделано без учёта кривизны поверхности Венеры – дело в том, что если учесть и это (то есть высчитывать толщину шарового слоя заданного объёма), то результат получается не превышающим точности вычислений и исходных данных, но сами расчёты будут немного сложнее. Прикинем ещё величину атмосферного давления у поверхности после удаления CO2 из атмосферы, для чего вычислим массу оставшегося в ней азота m(N2) = 4,82⸱1020 ⸱ 0,035 = 1,69⸱1019 кг и снова воспользуемся формулой (2), выразив из неё p:
Вот теперь стоит подвести несколько неутешительные итоги выполненных математических упражнений. Во-первых, количество необходимого оксида кальция для связывания углекислого газа таково, что потребуется его «кусок» размером, превышающим размеры Паллады или Весты – одних из самых крупных астероидов в Солнечной системе [5]. Во-вторых, поверхность планеты окажется укрыта почти километровым слоем «побелки» (мел с химической точки зрения тоже представляет собой карбонат кальция). Туда же осядет и сульфат кальция (скорее всего в виде частиц минерала ангидрита), образовавшийся из венерианских облаков. Кстати, на этот процесс потребуются дополнительные количества CaO, которые в данной заметке не рассматриваются. В-третьих, даже в случае успешного удаления из атмосферы всего углекислого газа, давление венерианского воздуха всё равно будет довольно высоким – примерно как если нырнуть под воду на глубину 20-30 метров. В общем, при взгляде на получившиеся результаты складывается ощущение, что засыпать планету оксидом кальция может и здорово, но проще и результативнее будет изобрести какие-нибудь нуль-порталы, как у Дэна Симмонса в тетралогии «Песни Гипериона» и разместить один такой портал на Венере, а второй – в открытом космосе на околосолнечной орбите (ну или на Марсе), после чего включить их, чтобы стравить тем самым через них лишнюю атмосферу. Ссылки: [1]. Статья «Венера» // RU.WIKIPEDIA.ORG: Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Венера (дата обращения: 21.05.2020) [2]. Бялко А.В. Наша планета – Земля. – М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1983. – 208 с. (Библиотечка «Квант», Вып. 29) [3]. Статья «Оксид кальция» // RU.WIKIPEDIA.ORG: Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Оксид_кальция (дата обращения: 21.05.2020) [4]. Химическая энциклопедия. В 5 т.: т. 2: Даффа – Меди / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. – М.: Советская энциклопедия, 1990. – 671 с. [5]. Статья «Список объектов Солнечной системы по размеру» // RU.WIKIPEDIA.ORG: Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_объектов_Солнечной_системы_по_размеру (дата обращения: 21.05.2020) Добавлено: 21.05.2020 Изменено: 21.05.2020 |
