¿Cuál es la forma más económica de vaporizar el depósito de CO₂ cerca del polo sur de Marte?

La investigación citada en los comentarios indica que esto es realmente una mala idea y no lograría el resultado deseado, pero si se decide que el CO2 debe vaporizarse, es muy poco probable que los métodos activos sean los más económicos.

Por "métodos activos" quiero decir que tenemos que generar el calor para hacer la vaporización, por medios tales como combustión, reacciones nucleares, etc. Un método "pasivo" sería uno que redirige o concentra el calor naturalmente disponible, como la energía solar. , energía geotérmica, etc.

En mi respuesta a esta pregunta , resumo y proporciono enlaces a fuentes relacionadas con el concepto de una órbita "en el polo", una órbita altamente no kepleriana. Tal posador puede usar una vela solar para permanecer a la vista de la región polar de un planeta, como se muestra en la Fig. 1 a continuación. He omitido la fuerza gravitacional debida al Sol y la fuerza centrífuga de la órbita heliocéntrica porque, a menos que el que se encuentra en el polo esté a una gran distancia del planeta, esas son fuerzas relativamente pequeñas. Además, la discusión es sobre el reservorio de CO2 en el polo sur ; Asuma en mis cifras que el norte está abajo .

La propulsión eléctrica también puede mantener una órbita polar, pero en este caso usaríamos la luz solar reflejada de una vela solar y no se requeriría propulsor, una ventaja significativa si el proyecto lleva siglos.

En este caso, la vela puede diseñarse para concentrar su energía solar reflejada en el polo sur de Marte, aumentando la temperatura promedio allí y eventualmente vaporizando el CO2. "Eventualmente" probablemente significa décadas o siglos; Depende del tamaño de la vela. Tal vela no necesitaría mucho de una nave espacial (en términos de masa) para controlarla, por lo que la densidad de área total del sistema se acercaría a la densidad de área límite de la vela y su estructura de soporte.

Esta baja densidad es importante por dos razones. Uno: esta vela será grande . Cuando habla de vaporizar 12.000 km cúbicos de CO2, cualquier método que utilice implicará algoa gran escala. La cantidad de luz solar que necesitará redirigir al poste será muy grande y eso requiere un área reflectante grande. Una densidad más baja significa que se requiere menos masa para construir el sistema. Dos: cuanto menor sea la densidad de área del sistema, mayor será la elevación angular sobre el horizonte del polo que puede obtener un observador del polo, por lo que la distribución de energía es mejor. En la Fig. 2 a continuación, esto significa que el ángulo entre la flecha verde del "ángulo de visión" y el eje de rotación del planeta es más pequeño. Podría terminar que, debido al aumento en la fracción de masa estructural a medida que la vela va más allá de cierto tamaño, una constelación de velas más pequeñas podría ser mejor.

Hay un problema al que se enfrentarían los diseñadores. La geometría Sol-planeta-se sienta en el polo no depende de la oblicuidad del planeta , la inclinación de su plano ecuatorial con respecto al plano de su órbita, por lo que el que se sienta en el polo siempre está un poco más lejos del Sol que el planeta. Esto es necesario para que todos los vectores de fuerza (gravedad, fuerza centrífuga, fuerza de vela, etc.) se sumen correctamente. Esa geometría gira con la revolución de Marte alrededor del Sol, para mantener al posador en el lado opuesto al Sol de Marte. La oblicuidad de Marte es de ~25 grados, solo un poco más grande que la de la Tierra, y esa oblicuidad nogirar con la revolución de Marte alrededor del Sol. Durante parte de un año marciano, el polo estaría orientado más o menos hacia el que se ubica en el polo, lo que produciría una buena geometría de iluminación, como se muestra en la Fig. 2. Pero medio año marciano más tarde, el polo estaría más orientado hacia el Sol, y el el posador vería la región polar cerca (o incluso más allá) del limbo del planeta, como se muestra en la Fig. 3. (Vaya. Me acabo de dar cuenta de que olvidé cambiar las direcciones de la flecha "Luz solar" en la Fig. 3. Debe apuntar a la izquierda, no a la derecha). Esto genera una geometría de iluminación deficiente, o incluso imposible. La entrada de energía para la vaporización puede ser muy estacional.

Habría varios intercambios que deberían analizarse al diseñar este sistema, como el intercambio de "una vela grande o muchas velas más pequeñas". ¡Yo no he hecho ninguno de esos! (Como diría Gomer Pyle: Soo - PRIZE , soo-prise! ) Esperaré hasta que uno de mis clientes me pague por hacer ese trabajo.

La opción geotérmica es intrigante. Habría algo de ingeniería a gran escala en eso también. ¿Habría implicaciones de peligro geológico si se enfriara una buena parte del manto de Marte?

Puede notar que tiendo a evitar los métodos que lanzan grandes masas de rocas, tierra, polvo y nativos al aire, es decir, grandes explosiones. Pero hay métodos que involucrarían tales, incluyendo explosiones nucleares dentro del reservorio de CO2, o el impacto de un pequeño asteroide o cometa en el reservorio, etc., y esos métodos tienen la ventaja de terminar el proyecto en un tiempo relativamente corto, y también tienen algunas desventajas claras . (beneficio secundario para el cometa: ¡ muchos volátiles, incluida el agua!) Alterar la órbita de un cometa o asteroide de unos pocos kilómetros de tamaño a un impacto podría terminar siendo menos costoso que la solución del polo-sitter... pero ¡ Será mejor que no tengas a nadie viviendo en Marte cuando hagas eso!

En primer lugar, ¡vaporizar 12.000 kilómetros cúbicos de CO2 en otro planeta no va a ser "económico" (en el sentido de "barato") en absoluto! Incluso si el depósito tuviera un "interruptor" que solo necesita tocar para que suceda, una misión robótica a Marte para presionar ese interruptor costaría millones :) Esto requerirá mucho trabajo ... pero ¿cuánto exactamente?

Cuanta energía necesitamos

Empezaría por calcular la energía necesaria para vaporizar ese depósito de CO2. Necesitamos suficiente energía para calentar el CO2 hasta la temperatura a la que se vaporizará, más la energía para que se vaporice (entalpía). Para calcular esto, necesitamos saber la temperatura actual del CO2, la presión, echar un vistazo al diagrama de fase del CO2 y también saber la masa total que queremos vaporizar.

Según este artículo , la masa de ese depósito es de 2,4 x 10$^1$$^6$kg (y el volumen es en realidad 14800 kilómetros cúbicos según una estimación revisada).

En cuanto a la temperatura, en ese artículo dicen que la temperatura media anual en superficie es de 155K. Haremos una suposición simplificada aquí y supondremos que todo el depósito está a esa temperatura (en realidad podría ser más alta, por lo que es más fácil de vaporizar: vea el gradiente geotérmico y esta respuesta aquí ).

En el artículo mencionan que la presión media en la superficie de Marte es de 610 Pa. Haré una suposición muy simplificadora y diré que todo el hielo de CO2 que vamos a vaporizar estará a esa presión (imagina como si lo vaporizáramos capa por capa y de alguna manera manteniendo constante la presión atmosférica...).

También se menciona en otros artículos [¿fuente?] que el CO2 en realidad se sublima en estas condiciones (155 K, 610 Pa). Si busca el diagrama de fase de CO2, a menudo se verá así:

Desafortunadamente, no se muestra nuestra región de interés, con muy baja presión y temperatura. Además, ha resultado difícil encontrar la entalpía de sublimación en esas condiciones. El mejor valor cercano que encontré está en este artículo , que menciona otro artículo con un valor de 613 kJ/Kg de calor latente de sublimación @ 121 K. Esto es 34 K menos de lo que necesitamos, y desafortunadamente no tengo una estimación de mucho el el valor podría estar muy lejos. ( ¡Advertencia! ¡Nuestra estimación final podría estar muy equivocada! )

De todos modos, suponiendo que esto sea lo suficientemente correcto, necesitamos 2,4 x 10$^1$$^6$* 613 = 1.47x 10$^1$$^9$kJ para vaporizar el depósito de CO2.

¡Vuélvete nuclear!

A modo de comparación, la Tsar Bomba , el arma nuclear más poderosa jamás creada, tenía un rendimiento de 210 Pj (PJ = 10$^1$$^5$J). Por lo tanto, necesitaríamos aproximadamente 70 de ellos para vaporizar todo el hielo de CO2 (suponiendo que pudiéramos redirigir TODA la producción de armas nucleares como calor al hielo, una estimación de eficiencia muy poco realista).

Desafortunadamente, una sola Tsar Bomba pesa 27000 kg, y ninguno de los sistemas de lanzamiento orbital actuales parece capaz de llevar ese peso a Marte. A juzgar por la lista, la mejor apuesta parece ser el Falcon Heavy, que puede transportar 16800 kg a Marte. Supongamos que podemos construir una Tsar Bomba más pequeña con una reducción lineal en su producción, es decir, una Tsar Bomba pequeña que pesa 16800 kg y entrega 130 PJ. Necesitaríamos alrededor de 113 de esos "pequeños Tsar Bomba", por lo que se lanzan 113 Falcon Heavy.

Según https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_Heavy#Launch_prices , puede obtener un lanzamiento Falcon Heavy totalmente prescindible por 150 millones. Esto significa que puedes lanzar todas esas bombas por tan solo 16950 millones de dólares, menos de 17 mil millones .

Esto podría ser más barato que desarrollar velas solares masivas o espejos gigantes de 100 km de radio .

Además, considere:

PROS:

• Elon Musk está a favor de terraformar Marte con armas termonucleares , por lo que podrías obtener precios rebajados

• Tal vez no necesites vaporizarlo todo, solo necesitas vaporizar una parte y entonces habrás desestabilizado el equilibrio de Marte para que el resto se vaporice solo (es decir, como un ejemplo simple, el primer artículo menciona tres capas de hielo de agua que estabiliza el depósito... ¿y si vaporizas lo suficiente como para que todas esas capas desaparezcan?)

CONTRAS:

• Asumimos que toda la energía de las bombas se destina a vaporizar el hielo de CO2.

• Simplemente asumimos que el hielo simplemente se vaporiza y desaparece (es decir, en realidad no modelamos cómo el hielo ya vaporizado cambiaría las condiciones para vaporizar el resto, ni tampoco modelamos la atmósfera circundante, el agua, las rocas, etc.)

• No tomamos en cuenta los costos de desarrollo/fabricación de esas bombas.

• Es posible que necesite maquinaria / consideraciones adicionales para coordinar las bombas para que golpeen el depósito de manera coordinada (no desea vaporizar solo un poco ... y ver cómo se deposita nuevamente en hielo antes de que golpeen las siguientes bombas)

• No consideramos lo que hay encima de ese depósito (una capa de hielo de agua, supongo), y también necesitamos vaporizar eso.

Pero después de todo, esto es solo una línea de base aproximada... diviértete y no lo intentes en casa :)

¿Por qué no simplemente golpearlo con un asteroide? En otras palabras, use maniobras de redirección de asteroides para enviar un asteroide al depósito y así enviar desechos a la atmósfera.

Mirando la cantidad de CO ₂ que queremos vaporizar, podemos esperar necesitar mucha energía. Si robamos amablemente el requerimiento de energía calculado por BlueCoder, podemos ver que este es del mismo orden de magnitud que la cantidad de energía almacenada en las reservas globales de uranio-238. ^{[ 1 ]} Esto favorecería un método pasivo sobre uno activo.

De los métodos pasivos, mi favorito personal sería la magnetosfera artificial.

Los modelos de computadora de la NASA muestran que la colocación de un imán de 1-2 Tesla en L1 podría proteger a Marte de parte del viento solar entrante. ^{[ 2 ]} Por lo cual, en primer lugar, Marte perdió la mayor parte de su atmósfera. Con este blindaje, la atmósfera se espesará lentamente con el tiempo, aumentando lentamente la temperatura. Lo que a su vez provocará una mayor evaporación, iniciando una reacción en cadena hasta que se agoten los depósitos de CO _{2 .}

Aunque no sería el enfoque más rápido, sería muy rentable. Y como beneficio adicional, cree algo de protección para los nuevos colonos.