Планетологи промоделировали распределение энергии ветра в разных областях Марса в зависимости от времени суток, ландшафта и сезона. Оказалось, что в некоторых местах на Красной планете её может быть достаточно для обеспечения потребностей будущих колоний — при условии, что в соответствующих локациях удастся построить ветряные электростанции необходимых габаритов. В некоторых областях планеты ветры настолько сильные, что мощность такой электростанции превышала бы мощность, которую там могли бы генерировать электростанции на солнечных панелях, т.е. ветряной станции было бы достаточно в качестве единственного источника энергии для марсианского поселения.
Долгое время считается, что, поскольку марсианская атмосфера слишком разрежена, вряд ли марсианский ветер можно будет использовать как ресурс, то есть для генерации электроэнергии будущими колонистами. В новой работе исследователи решили пересмотреть погодные условия на Марсе и всё же оценить силу ветра и возможность использования его в качестве источника электричества. Для моделирования марсианских условий применили развёрнутую климатическую модель, разработанную для исследования движения атмосферы и климатических условий на Земле. Её адаптировали для марсианских условий — прежде всего, с учётом низкой силы гравитации и разреженной атмосферы. Кроме того, в ней учли дополнительные факторы, особо значимые для Марса: солнечное излучение, уровни концентрации пыли в воздухе, а также тепловой поток планеты в зависимости от области на Марсе.
Мощность ветра тем больше, чем больше его скорость и плотность атмосферы. На Марсе вблизи поверхности атмосфера примерно в сто раз более разрежена по сравнению с земной, а скорость марсианских ветров также в среднем ниже, чем на Земле. Поэтому «идеальная» ветряная турбина с Земли, если бы её удалось перенести на Марс, даже при сопоставимых потоках ветра давала бы всего 1% мощности по сравнению с её земной производительностью.
На Марсе, как и на Земле, роза ветров зависит и от высоты над поверхностью. Исследователи моделировали скорость движения атмосферы на разных высотах — от 0 до 200 метров над землёй. Если уж рассматривать футуристические проекты, почему бы заодно не замахнуться на марсианскую ветротурбину, которую разместят на высоте в несколько десятков метров. Например, на Земле ветряные турбины в море обычно устанавливают как раз высотах 100—150 метров. Вероятно, когда до строительства ветряных электростанций дойдёт на Марсе, там появятся свои специфические ограничения с учётом гравитации и других местных условий, поэтому исследователи логично рассудили, что моделировать розу ветров уместно именно в таком диапазоне, взяв за основу «опорную» высоту около 50 метров.
Сколько энергии нужно для марсианской колонии? Такие исследования уже ведутся, и в нашем распоряжении есть оценки потребностей подобных станций (разумеется, все такие расчёты опираются на представления о сегодняшнем «качестве жизни» и соответствующих уровнях энергопотребления. Что будет в отдалённом будущем — мы угадать не можем). Так, есть оценки, согласно которым экипаж из шести человек на протяжении миссии в 500 солов (марсианских суток) будет нуждаться в источнике энергии мощностью 24—35 кВт. На основании этого критерия NASA уже определило список из 50 потенциально интересных мест для будущей колонии на Марсе — исходя из геологического строения, ресурсного потенциала и инженерных ограничений.
Преимущество ветряной энергии в том, что она теоретически дополняет солнечную: действительно, ветряные источники могут развивать большую мощность в периоды или в местах, где солнечной энергии меньше. Например, во время многодневных ветряных бурь. Также ветер на Марсе усиливается в ночное время, а в северных широтах — в зимний сезон. Особенно интересной такая перспектива становится в приполярных регионах, где зимой длится полярная ночь. На Марсе соответствующие широты примерно совпадают с земными (для Земли — от 67° северной или южной широты), поскольку у Марса и Земли наклон оси вращения примерно одинаковый. Такие приполярные регионы NASA в своё время исключило из списка потенциальных мест для освоения именно в силу того, что в условиях полярной ночи будет невозможно обеспечить снабжение колонии энергией от солнечного источника. Но эти участки были бы как раз интересны из-за запасов воды, сосредоточенных вблизи марсианского полюса (подробнее об этом можно прочитать в нескольких более ранних наших материалах, например, здесь).
Оказалось, что на множестве областей на Марсе ветер может быть достаточно сильным для производства достаточного количества электроэнергии. А некоторые из таких областей настолько ветрены, что такие электростанции в них даже могут быть единственным источником энергии, достаточным для обеспечения марсианской колонии. Наиболее подходящие участки марсианской поверхности для использования силы ветра — это ободки кратеров и вулканические возвышенности. Также в районах вблизи полюсов могут наблюдаться устойчивые и сильные порывы ветра, там, где воздушные массы проходят над ледяными областями. В некоторых из таких локаций энергия ветра, которую можно извлечь для получения электричества, даже больше, чем энергия от размещённых там солнечных электростанций. Подробнее о результатах моделирования возможностей марсианского ветра можно прочитать в статье, вышедшей в декабре 2022 года в Nature Astronomy.
В результате можно определить потенциальные места для марсианских колоний, во-первых, интересные с точки зрения будущих марсианских миссий, и во-вторых, в которых атмосферные условия обеспечивают потенциал для работы ветряных или солнечных электростанций. Так, например, для будущих долгосрочных станций перспективно рассматривать регионы в околополярных северных широтах — именно там можно рассчитывать на залежи воды (в виде водяного льда) недалеко от поверхности.
Исследователи предполагают, что большие ветряные турбины рационально размещать в определённых областях планеты — результатом работы стал список таких участков, дополняющий список NASA, основанный преимущественно на оценках только солнечной энергии. Большинство новых локаций — места, где возникают сезонные залежи льда в северных полярных областях. Но турбины, вероятно, нужно будет изготавливать из материалов, отличных от материалов для ветряных турбин на Земле. Для марсианского строительства нужно будет учитывать другую силу тяжести, не говоря уже о возможностях доставки материалов на место стройки, соответственно расчёт конструкций нужно будет проводить для совершенно новых условий.
