Kiedy posadzimy pierwsze drzewo na Marsie? Sprawdzają to naukowcy z PW

Jak i kiedy na Marsie wyrośnie pierwsza roślina? W jaki sposób stworzyć na tak wymagającej planecie warunki do życia? Jakie przeszkody stoją na drodze do tego celu? Nad tym pracuje zespół naukowców z Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem prof. Roberta Olszewskiego z Wydziału Geodezji i Kartografii. 

Jak tłumaczy prof. Olszewski, Mars w tym momencie nie umożliwia funkcjonowania takiego życia biologicznego, jakie istnieje na Ziemi, z kilku powodów, z których najważniejsze są dwa. 

- Pierwszy jest taki, że jest za zimno – średnio temperatura na Marsie jest o 65 stopni niższa niż na Ziemi. Drugi powód jest taki, że tamtejsza atmosfera jest mniej więcej stukrotnie rzadsza niż ziemska i niemal w całości, bo w ok. 95%, złożona z dwutlenku węgla. Są też inne powody, np. to, że praktycznie nie ma tam pola magnetycznego, że grawitacja jest trzykrotnie mniejsza, dlatego też trudno stwierdzić na ile rośliny funkcjonujące na Ziemi odnalazłyby się w tej mniejszej grawitacji. Jednak te podstawowe powody to temperatura oraz ciśnienie i skład atmosfery – mówi naukowiec. 

Celem projektu jest określenie w jaki sposób można zmodyfikować istniejące na Marsie warunki atmosferyczne tak, aby na Czerwonej Planecie mogły rosnąć przywiezione z Ziemi rośliny. Wyzwaniem badawczym jest także określenie w jakim mniej  przedziale czasowym oraz gdzie dokładnie jest możliwe, by urosło pierwsze drzewo na Marsie. Jak podkreśla naukowiec, można pójść o krok dalej i zastanowić się czy to może w jakimś sensie być pomocne przy planowaniu kolejnych misji na Marsa, np. w kontekście wyboru miejsca, w którym powinien wylądować kolejny łazik lub lądownik, lub w przypadku planowania pierwszych osad czy habitatów na Marsie. 

Podnosimy ciśnienie!

W literaturze dotyczącej zagadnienia terraformacji Marsa, czyli uczynienia go podobnym do Ziemi, można znaleźć kilkanaście hipotez, wśród których można znaleźć także te z gatunku science fiction – np. by „przepchnąć” Marsa na orbitę bliżej Słońca, wtedy będzie na nim cieplej. 

- Tego typu rozwiązania nie jesteśmy w stanie zastosować, niezależnie ile jako ludzkość byśmy zainwestowali. Nie mamy technologii, która by pozwoliła przepchnąć całą planetę w Układzie Słonecznym w jakąkolwiek stronę choćby o milimetr. Są inne pomysły, powiedziałbym ekstrawaganckie, np. rozmieszczenie gigantycznych luster nad południową czapą Marsa po to, żeby doświetlić czapę polarną i roztopić ogromne ilości CO2, który tam występuje w postaci suchego lodu – on wówczas roztopiłby się do postaci gazowej i ogrzał planetę. Technologicznie to byłoby prawdopodobnie wykonalne, natomiast są to astronomiczne koszty, dosłownie. Innym pomysłem jest sprowadzenie asteroidy, która byłaby złożona np. ze związków amoniaku, azotu itd. i doprowadzenie do impaktu – uderzenie, wywołanie reakcji cieplnej, uwolnienie tego gazu – wyjaśnia prof. Olszewski. 

Naukowcy z PW w swoim modelu rozważają inną koncepcję, tj. budowy fabryki czy raczej fabryk gazów hipercieplarnianych. - Przykładem mogą być freony, używane w dawnego typu lodówkach, których dziś już nie wolno produkować. Ich uwolnienie do atmosfery sprawia, że one niszczą ozon, więc powiększają dziurę ozonową i wywołują efekt cieplarniany, który jest na Ziemi zdecydowanie niepożądany. Natomiast freony, określane w fachowej literaturze jako CFC, uwolnione w atmosferze marsjańskiej pozwoliłyby wywołać dokładnie to, czego nie chcemy na Ziemi, czyli efekt cieplarniany. Atmosfera by się dogrzała, temperatura by wzrosła, co po pewnym czasie by spowodowało, że rozpuściłyby się czapy polarne (w ich składzie dominuje CO2, czyli suchy lód, choć zawierają też lód wodny). W dalszej perspektywie zagęściłoby to atmosferę, uwolniłoby wodę, która też jest niezbędna do życia, a wtedy można by się pokusić o pierwsze bakterie i bardzo proste rośliny, które rozpoczęłyby proces fotosyntezy, czyli zamianę CO2 w tlen, co po pewnym czasie spowodowałoby nie tylko zagęszczenie atmosfery, ale też jej wystarczające nasycenie tlenem, by utrzymywać na Marsie życie takie, jakie znamy na Ziemi – tłumaczy badacz. 

To już nie jest science fiction, tylko data science!

Na efekty badań przyjdzie nam jeszcze poczekać. - Nie zakładamy, że tego typu proces może być zrealizowany w perspektywie naszego życia. To jest proces, który możemy rozważać w perspektywie setek lat. Prawdopodobnie oznaczałoby to raczej dziesiąte, niż trzecie pokolenie, ale rozpoczęcie tego procesu wywoływałoby takie sprzężenie zwrotne, które po jakimś czasie mogłoby zaowocować funkcjonowaniem życia takiego, jakie znamy na Ziemi. Teoretycznie, bez głębszego zastanowienia, doszlibyśmy do wniosku, że pierwsze rośliny na Marsie powinny pojawić się gdzieś w okolicach równikowych. Ale nie. My zbudowaliśmy bardzo zaawansowane modele symulacyjne, które umożliwiają odpowiedź na pytania „co by było gdyby”. Gdybyśmy uwalniali więcej gazów cieplarnianych, gdybyśmy dodawali CO2, to ta planeta z roku na rok by się ogrzewała. My to liczymy nie z roku na rok, ale liczymy to z dnia na dzień – a tych marsjańskich dni jest 668, nazywają się sole. Marsjański rok jest więc niemal dwukrotnie dłuższy niż na Ziemi. Możemy także wykonywać obliczenia, w których krokiem obliczeniowym nie jest marsjańska doba, lecz godzina. 

Najważniejsze jest jednak to, że nie liczymy tych wartości średnio dla całej planety, ale podzieliliśmy ją na obszary zwane wielobokami Goldberga. Możemy sobie wyobrazić, ze Mars wygląda jak piłka do nogi, składa się z sześciokątów i pięciokątów (heksagonów i pentagonów).  W naszym modelu mamy 4002 takie obszary, a każdy z nich ma powierzchnię mniej więcej 36 tys. km², czyli ok. 1/10 Polski. Są to 4002 takie „poligony” o wielkości województwa, rozmieszczone równomiernie i dla każdego z nich codziennie, a czasami nawet co godzinę, wykonujemy obliczenia „co by było gdyby” – jak by się zmieniała temperatura, ciśnienie, wilgotność, wszystkie parametry atmosferyczne. Liczymy, co by było po upływie x lat – dodaje prof. Olszewski.

Z tych analiz wynika, że pierwszym obszarem, który by się ogrzał na Marsie, jest Hellas – wielki dawny krater uderzeniowy na półkuli południowej, leżący ok. 35 stopni na południe od równika. 

– To jest zaskakujące, ale wytłumaczalne, w tym sensie, że Mars ma trochę inne nachylenie niż Ziemia – o 2 stopnie większe, ma bardzo ekscentryczną orbitę, czyli innymi słowy bardzo spłaszczoną. Ziemska jest zbliżona do koła, a marsjańska jest zdecydowanie bardziej eliptyczna. Jak zestawimy to ze sobą, to okazuje się, że to lato na półkuli południowej jest po prostu cieplejsze, w związku z czym łatwiej się ona dogrzewa. Czyli my dodajemy gazy cieplarniane i CO2, a resztę robi Słońce. Ten model wykonuje pracę na potężnym klastrze obliczeniowym na platformie CENAGIS w ciągu kilku godzin, natomiast my modelujemy dziesiątki, a czasami nawet setki lat – w ten sposób znajdujemy odpowiedzi na pytania, gdzie by się zazieleniło. 

W jaki sposób bada się Marsa?

Zespół bazuje na danych, które zostały pozyskane przez szereg misji, głównie amerykańskich, ok. 90%, ale też europejskich, chińskich czy rosyjskich. Nie tylko z kilku łazików, które na  Marsie były lub są, ale przede wszystkim z różnego rodzaju orbiterów, czyli sztucznych satelitów orbitujących wokół Marsa i wykonujących pomiary. Na tej podstawie naukowcy znają dzisiejsze warunki atmosferyczne na Marsie, ukształtowanie terenu, skład atmosfery czy temperaturę. Te dane były weryfikowane in situ – na powierzchni – poprzez lądowniki, takie jak Viking czy InSight, czy łaziki, np. Oportunity czy Perseverance. 

- To są nasze dane referencyjne, które mówią o tym, jak jest dzisiaj. Na tej podstawie my tworzymy złożone modele obliczeniowe, które pozwalają nam na początku oddać stan dzisiejszy, a potem odpowiedzieć na pytanie „co jeśli…”, np. co by było, gdybyśmy dodali gazu cieplarnianego, albo gdyby ciśnienie CO2 stało się większe. Możemy też w naszym modelu teoretycznie sprawdzić, co by się stało, gdybyśmy zastosowali – technicznie niemożliwe do wykonania - rozwiązanie, np. przepchnięcie Marsa bliżej Słońca albo zmianę nachylenia osi obrotu planety. W naszym projekcie nie bazujemy na założeniach teoretycznych, ale na twardych danych pozyskiwanych przez różne misje, głównie amerykańskie, czyli NASA – podkreśla prof. Olszewski. 

Interdyscyplinarność = plus i minus w jednym 

Projekt nie jest finansowany przez żaden grant.  - To jest nasz wolny czas, który poświęcamy na realizację tego projektu – w ramach powiedziałbym hobby. Bardzo staraliśmy się o pozyskanie środków z NCN, jednak naszym problemem jest fakt, że  projekt jest bardzo interdyscyplinarny. Z punktu widzenia naukowców interdyscyplinarność jest ogromną zaletą. Mamy tutaj geoinformatykę, mnóstwo kwestii stricte IT, obliczeniowych, modelowanie, optymalizację, kartografię, wizualizację, ale też astrobiologię, elementy chemii, astronomię, botanikę – mnóstwo aspektów. Z tego też powodu nasz projekt ciężko przypisać do konkretnej „szufladki”, a programy grantowe tego właśnie wymagają. Krótko mówiąc – ta interdyscyplinarność nie jest  w cenie i trudno nam pozyskać środki na realizację takiego projektu, więc na razie robimy go sami, ten projekt nas fascynuje. Oczywiście aplikujemy o różne środki na badania, staramy się o znalezienie takich grantów, które finansują badania przez ocean – to nie jest takie proste, bo większość projektów unijnych niechętnie dopuszcza finansowanie Amerykanów i odwrotnie. 

W skład zespołu badawczego wchodzą prof. Robert Olszewski z Wydziału Geodezji i Kartografii, dr Piotr Pałka z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych i dr inż. Agnieszka Wendland (GIK). Zespół wspierają eksperci z innych uczelni. Prof. Christian Körner z Uniwersytetu w Bazylei, zajmujący się biologią wysokogórską, dzieli się wiedzą w zakresie tego, jaka musi być np. minimalna temperatura, żeby jakieś rośliny mogłyby funkcjonować czy przez ile dni temperatura nie może spadać w nocy poniżej danej temperatury. Prof. McKay z NASA z kolei zainspirował zespół swoimi poglądami do zastanowienia się nad aspektami etycznymi projektu – czy my, jako ludzkość, w ogóle mamy prawo ingerować w inne planety i np. prowadzić tam procesy kolonizacji. Współpraca z San Jose State University, wspieranym przez NASA, dotyczy z kolei określenia, jaki Mars jest obecnie – tutaj naukowcy współpracują z Melindą Kahre z NASA oraz Alison Bridger z San Jose State University. Naukowcy podkreślają też, że chętnie nawiązaliby współpracę z kolejnymi ośrodkami, które prowadzą podobne projekty. 

Rój łazików

W trakcie prowadzenia projektu terraforacji Marsa w pewnym momencie, gdy pojawiły się środki z IDUB, zespół zdecydował się poszerzyć swoje spectrum badań o część „w terenie”. Środki przeznaczono na zakup łazików oraz stworzenie poligonu marsjańskiego w ośrodku PW w Józefosławiu. 

- W drugim projekcie próbujemy opracować taką wizję roju małych łazików, które mogłyby wykonywać pomiary na Marsie, jeszcze będąc wspieranymi przez drony. Dzięki temu - w stosunku do dzisiejszych łazików, które mają wielkość małej ciężarówki, kosztują po kilka miliardów dolarów, ich wysłanie na Marsa jest drogie, a ich uszkodzenie oznacza koniec misji – proponujemy alternatywną technologię. Rój małych łazików z heterogenicznymi sensorami – czyli każdy mierzy coś innego, lata nad nimi dron, albo kilka, które wspierają je w tym, żeby odpowiednio zaplanować misję i następnie wspólnie przetwarzają dane, a na Ziemię trafia już gotowa informacja - podkreśla prof. Olszewski.

Daty?

Kiedy poznamy przybliżony termin pojawienia się pierwszego drzewa na Marsie? – Model jest w pełni gotowy, tylko żeby uzyskać taki konkretny wynik, trzeba przeprowadzić setki, tysiące eksperymentów, ponieważ każdy taki model bazuje na dziesiątkach parametrów typu orbita, nachylenie planety, zawartość CO2, domieszka gazów hipercieplarnianych, tempo, w jakim uwalniamy gazy – takich parametrów jest wiele i one wzajemnie na siebie wpływają. W związku z tym, żeby uzyskać wyniki, potrzeba przeprowadzić tysiące eksperymentów. Jesteśmy na ukończeniu tych prac, opracowujemy wyniki z uzyskanych eksperymentów i przygotowujemy publikację. Potrzebujemy też ok. 2 lat, by osiągnąć etap, gdy nasz rój łazików będzie ze sobą współpracować, a jednocześnie łaziki będą też w pełni autonomiczne.