Idén att terraforma Mars – alias "Earth's Twin" – är en fascinerande idé. Mellan smältning av polarisarna, långsamt skapa en atmosfär, och sedan konstruera miljön för att ha löv, floder, och stående vattendrag, det finns tillräckligt för att inspirera nästan vem som helst! Men hur lång tid skulle en sådan ansträngning ta, vad skulle det kosta oss, och är det verkligen en effektiv användning av vår tid och energi?

Sådana var frågorna som behandlades av två artiklar som presenterades vid NASA:s "Planetary Science Vision 2050 Workshop" förra veckan (mån 27 februari – ons 1 mars). Den första, med titeln "The Terraforming Timeline", presenterar en abstrakt plan för att förvandla den röda planeten till något grönt och beboeligt. Den andra, med titeln "Mars Terraforming – the Wrong Way", avvisar tanken på terraforming helt och hållet och presenterar ett alternativ.

Den tidigare tidningen producerades av Aaron Berliner från University of California, Berkeley, och Chris McKay från Space Sciences Division vid NASA Ames Research Center. I deras tidning, de två forskarna presenterar en tidslinje för terraformningen av Mars som inkluderar en uppvärmningsfas och en syresättningsfas, samt alla nödvändiga steg som skulle föregå och följa.

Som de säger i sin tidnings inledning:

"Terraformande Mars kan delas in i två faser. Den första fasen är att värma planeten från den nuvarande genomsnittliga yttemperaturen på -60°C till ett värde nära jordens medeltemperatur till +15°C, och återskapa en tjock CO²-atmosfär. Denna uppvärmningsfas är relativt enkel och snabb, och kan ta ca 100 år. Den andra fasen är att producera nivåer av O² i atmosfären som skulle tillåta människor och andra stora däggdjur att andas normalt. Denna syresättningsfas är relativt svår och skulle ta 100, 000 år eller mer, om man inte postulerar ett tekniskt genombrott."

Innan dessa kan börja, Berliner och McKay erkänner att vissa "pre-terraforming"-steg måste vidtas. Dessa inkluderar att undersöka Mars miljö för att bestämma nivåerna av vatten på ytan, nivån av koldioxid i atmosfären och i isform i polarområdena, och mängden nitrater i marsjord. Som de förklarar, alla dessa är nyckeln till det praktiska att skapa en biosfär på Mars.

Än så länge, de tillgängliga bevisen pekar mot alla tre element som finns i överflöd på Mars. Medan det mesta av Mars vatten för närvarande är i form av is i polarområdena och polarlocken, det finns tillräckligt där för att stödja ett vattenkretslopp – komplett med moln, regn, floder och sjöar. Under tiden, vissa uppskattningar hävdar att det finns tillräckligt med CO² i isform i polarområdena för att skapa en atmosfär som är lika med havsnivåtrycket på jorden.

Kväve är också ett grundläggande krav för liv och nödvändig beståndsdel i en andningsbar atmosfär, och färska data från Curiosity Rover indikerar att nitrater står för ~0,03 viktprocent av jorden på Mars, vilket är uppmuntrande för terraformning. Dessutom, forskare kommer att behöva ta itu med vissa etiska frågor relaterade till hur terraformning kan påverka Mars.

Till exempel, om det för närvarande finns något liv på Mars (eller liv som skulle kunna återupplivas), detta skulle utgöra ett obestridligt etiskt dilemma för mänskliga kolonister – särskilt om detta liv är relaterat till livet på jorden. Som de förklarar:

"Om livet på mars är relaterat till livet på jorden - möjligen på grund av meteoritutbyte - då är situationen bekant, och frågor om vilka andra typer av jordliv som ska införas och när som måste tas upp. Dock, om livet på mars inte är relaterat till livet på jorden och tydligt representerar en andra tillkomst av livet, då tas betydande tekniska och etiska frågor upp."

För att bryta fas ett – "The Warming Phase" – kortfattat, författarna tar upp en fråga som vi känner till idag. Väsentligen, vi förändrar vårt eget klimat här på jorden genom att introducera CO² och "superväxthusgaser" i atmosfären, vilket ökar jordens medeltemperatur med en hastighet av många grader Celsius per århundrade. Och medan detta har varit oavsiktligt på jorden, på Mars skulle det kunna återanvändas för att avsiktligt värma miljön.

"Tidsskalan för att värma upp Mars efter en fokuserad ansträngning med superväxthusgasproduktion är kort, bara 100 år eller så, " hävdar de. "Om all solincident på Mars skulle fångas med 100 % effektivitet, då skulle Mars värmas till jordliknande temperaturer om cirka 10 år. Dock, växthuseffektens effektivitet är troligen cirka 10 %, Därför skulle tiden det skulle ta att värma Mars vara ~100 år."

När denna tjocka atmosfär har skapats, nästa steg innebär att omvandla det till något som andas för människor – där O²-nivåerna skulle motsvara cirka 13 % av lufttrycket vid havsnivån här på jorden och CO²-nivåerna skulle vara mindre än 1 %. Denna fas, känd som "syresättningsfasen", skulle ta betydligt längre tid. Ännu en gång, de vänder sig mot ett jordiskt exempel för att visa hur en sådan process skulle kunna fungera.

Här på jorden, de hävdar, de höga nivåerna av syrgas (O²) och låga nivåer av CO² beror på fotosyntesen. Dessa reaktioner är beroende av solens energi för att omvandla vatten och koldioxid till biomassa – vilket representeras av ekvationen H²O + CO² =CH²O + O². Som de illustrerar, denna process skulle ta mellan 100, 000 och 170, 000 år:

"Om allt solljus som infaller på Mars utnyttjades med 100 % effektivitet för att utföra denna kemiska omvandling skulle det bara ta 17 år att producera höga nivåer av O². Men, den sannolika effektiviteten för alla processer som kan omvandla H²O och CO² till biomassa och O² är mycket mindre än 100 %. Det enda exemplet vi har på en process som globalt kan förändra CO² och O² för en hel växt är global biologi. På jorden är effektiviteten för den globala biosfären när det gäller att använda solljus för att producera biomassa och O2 0,01 %. Sålunda är tidsskalan för att producera en O²-rik atmosfär på Mars 10, 000 x 17 år, eller ~ 170, 000 år."

Dock, de tar hänsyn till syntetisk biologi och annan bioteknik, som de hävdar kan öka effektiviteten och minska tidsskalan till en solid 100, 000 år. Dessutom, om människor kunde använda naturlig fotosyntes (som har en jämförelsevis hög effektivitet på 5%) över hela planeten – d.v.s. plantera löv över hela Mars – då skulle tidsskalan kunna reduceras till några århundraden.

Till sist, de beskriver de steg som måste vidtas för att få bollen i rullning. Dessa steg inkluderar anpassning av nuvarande och framtida robotuppdrag för att bedöma Mars resurser, matematiska och datormodeller som kan undersöka de processer som är involverade, ett initiativ för att skapa syntetiska organismer för Mars, ett sätt att testa terraformningstekniker i en begränsad miljö, och ett planetariskt avtal som skulle fastställa restriktioner och skydd.

Citerar Kim Stanley Robinson, författare till Red Mars-trilogin, (Science fictions framträdande verk om att terraforma Mars) de utfärdar en uppmaning till handling. Att ta upp hur lång tid processen att terraforma Mars kommer att ta, de hävdar att vi "lika väl kan börja nu".

Till detta, Valeriy Yakovlev – en astrofysiker och hydrogeolog från Laboratory of Water Quality i Kharkov, Ukraina – har en avvikande uppfattning. I sin tidning, "Mars Terraforming – the Wrong Way", han argumenterar för skapandet av rymdbiosfärer i Low Earth Orbit som skulle förlita sig på artificiell gravitation (som en O'Neill-cylinder) för att tillåta människor att vänja sig vid liv i rymden.

Med tanke på en av rymdkoloniseringens största utmaningar, Yakovlev pekar på hur liv på kroppar som Månen eller Mars kan vara farligt för mänskliga bosättare. Förutom att vara sårbara för sol- och kosmisk strålning, kolonister skulle behöva hantera betydligt lägre gravitation. När det gäller månen, detta skulle vara ungefär 0,165 gånger det som människor upplever här på jorden (aka. 1 g), medan det på Mars skulle vara ungefär 0,376 gånger.

De långsiktiga effekterna av detta är inte kända, men det är klart att det skulle inkludera muskeldegeneration och benförlust. Ser man längre, det är helt oklart vilka effekterna skulle bli för de barn som föddes i någon av miljöerna. Ta itu med sätten på vilka dessa skulle kunna mildras (som inkluderar medicin och centrifuger), Yakovlev påpekar hur de sannolikt skulle vara ineffektiva:

"Hoppet om medicinutvecklingen kommer inte att upphäva den fysiska nedbrytningen av musklerna, ben och hela organismen. Rehabiliteringen i centrifuger är en mindre ändamålsenlig lösning jämfört med fartygsbiosfären där det är möjligt att tillhandahålla en väsentligen konstant imitation av den normala gravitationen och skyddskomplexet från eventuella skadliga influenser från rymdmiljön. Om rymdutforskningens väg är att skapa en koloni på Mars och dessutom de efterföljande försöken att terraforma planeten, det kommer att leda till omotiverad förlust av tid och pengar och öka de kända riskerna med mänsklig civilisation."

Dessutom, han pekar på utmaningarna med att skapa den idealiska miljön för individer som lever i rymden. Förutom att bara skapa bättre fordon och utveckla medlen för att skaffa de nödvändiga resurserna, det finns också ett behov av att skapa den idealiska rymdmiljön för familjer. Väsentligen, detta kräver en utveckling av bostäder som är storleksmässigt optimal, stabilitet, och komfort.

I ljuset av detta, Yakolev presenterar vad han anser vara de mest sannolika utsikterna för mänsklighetens utträde till rymden mellan nu och 2030. Detta kommer att inkludera skapandet av de första rymdbiosfärerna med artificiell gravitation, vilket kommer att leda till nyckelutvecklingar när det gäller materialteknik, livsuppehållande system, och robotsystem och infrastruktur som behövs för att installera och betjäna livsmiljöer i Low Earth Orbit (LEO).

Dessa livsmiljöer kunde betjänas tack vare skapandet av robotiska rymdfarkoster som kunde skörda resurser från närliggande kroppar – som månen och objekt nära jorden (NEOs). Detta koncept skulle inte bara ta bort behovet av planetskydd – d.v.s. oron för att förorena Mars biosfär (förutsatt att det finns bakterieliv), det skulle också tillåta människor att bli vana vid rymden mer gradvis.

Som Yakovlev berättade för Universe Today via e-post, fördelarna med rymdhabitat kan delas upp i fyra punkter:

"1. Detta är ett universellt sätt att bemästra de oändliga utrymmena i kosmos, både i solsystemet och utanför det. Vi behöver inga ytor för att installera hus, men resurser som robotar kommer att leverera från planeter och satelliter. 2. Möjligheten att skapa en livsmiljö så nära jordens vagga som möjligt gör att man kan fly från den oundvikliga fysiska nedbrytningen under en annan gravitation. Det är lättare att skapa ett skyddande magnetfält.

"3. Överföringen mellan världar och källor till resurser kommer inte att vara en farlig expedition, men ett normalt liv. Är det bra för sjömän utan deras familjer? 4. Sannolikheten för mänsklighetens död eller förnedring till följd av den globala katastrofen minskar avsevärt, eftersom koloniseringen av planeterna inkluderar spaning, leverans av varor, skytteltransport av människor – och detta är mycket längre än konstruktionen av biosfären i månens omloppsbana. Dr Stephen William Hawking har rätt, en person har inte mycket tid."

Och med rymdmiljöer på plats, någon mycket avgörande forskning kan börja, inklusive medicinsk och biologisk forskning som skulle involvera de första barn som föds i rymden. Det skulle också underlätta utvecklingen av pålitliga rymdfärjor och teknik för utvinning av resurser, som kommer att komma väl till pass för avveckling av andra kroppar – som månen, Mars, och även exoplaneter.

I sista hand, Yakolev tror att rymdbiosfärer också skulle kunna åstadkommas inom en rimlig tidsram – det vill säga mellan 2030 och 2050 – vilket helt enkelt inte är möjligt med terraforming. Med hänvisning till den växande närvaron och kraften i den kommersiella rymdsektorn, Yakolev trodde också att mycket av den nödvändiga infrastrukturen redan finns på plats (eller under utveckling).

"Efter att vi har övervunnit trögheten att tänka +20 år, den experimentella biosfären (som bosättningen i Antarktis med klockor), om 50 år kommer den första generationen barn som föds i kosmos att växa och jorden kommer att minska, eftersom det kommer att gå in i legenderna som helhet... Som ett resultat, terraforming kommer att ställas in. Och den efterföljande konferensen kommer att öppna vägen för verklig utforskning av Kosmos. Jag är stolt över att vara på samma planet som Elon Reeve Musk. Hans missiler kommer att vara användbara för att lyfta design för den första biosfären från månfabrikerna. Detta är ett nära och direkt sätt att erövra kosmos."

Med NASA-forskare och entreprenörer som Elon Musk och Bas Landorp som vill kolonisera Mars inom en snar framtid, och andra kommersiella flygbolag som utvecklar LEO, storleken och formen på mänsklighetens framtid i rymden är svår att förutsäga. Kanske kommer vi gemensamt att besluta om en väg som tar oss till månen, Mars, och vidare. Kanske kommer vi att se våra bästa ansträngningar riktas mot jordens närhet.

Eller kanske kommer vi att se oss själva gå i flera riktningar samtidigt. Medan vissa grupper kommer att förespråka att skapa rymdmiljöer i LEO (och senare, någon annanstans i solsystemet) som är beroende av artificiell gravitation och robotrymdskepp som bryter asteroider för material, andra kommer att fokusera på att etablera utposter på planetariska kroppar, med målet att förvandla dem till "nya jordar".

Mellan dem, vi kan förvänta oss att människor kommer att börja utveckla en viss "rymdexpertis" under detta århundrade, vilket säkert kommer väl till pass när vi börjar tänja på gränserna för utforskning och kolonisering ännu längre.