Предложено размещение на орбите Марса комплекса масштабных солнечных отражателей, предназначенных для направления дополнительного освещения на будущие человеческие поселения и увеличения получаемой ими солнечной энергии приблизительно в два раза. Подобная система способна облегчить выработку электроэнергии, обогрев инфраструктуры и извлечение воды изо льда, содержащегося в марсианском грунте.

В силу большего удалённости от Солнца, Марс получает значительно меньшее количество солнечной энергии по сравнению с Землёй. Это создаёт определённые трудности для перспективных пилотируемых экспедиций: эффективность солнечных панелей снижается, а низкие температуры повышают потребление энергии, необходимое для поддержания условий, пригодных для жизни.

Вместо возведения одного крупного стационарного зеркала, специалисты предлагают использовать систему чрезвычайно лёгких отражающих элементов, вращающихся по солнечно-синхронным орбитам вокруг Марса. Поверхность этих элементов должна быть спроектирована таким образом, чтобы направлять солнечный свет на конкретный участок планеты, где расположена база. Авторы исследования провели расчёты параметров орбит и площади необходимых отражателей с целью обеспечения в среднем двукратного увеличения потока солнечной энергии на поверхности.

Согласно расчётам, для базы, занимающей территорию радиусом приблизительно один километр на 40-й параллели северной широты, один квадратный километр орбитального отражателя сможет обеспечить дополнительную мощность в среднем около 0,6 МВт в течение марсианского года. Для достижения двукратного увеличения среднего количества солнечной энергии на данной территории потребуется общая площадь отражателей порядка 750 км².

Система, несмотря на свою обширность, не обязана представлять собой монолитную структуру, занимающую сотни квадратных километров. В проекте предполагается применение множества чрезвычайно тонких и легких отражающих элементов. Авторы полагают, что реализация данной концепции становится вероятной при условии разработки конструкций с поверхностной плотностью порядка 20 граммов на квадратный метр. Этот показатель примерно в семь раз меньше, чем у солнечных парусов, уже успешно испытанных в космическом пространстве.

Отражающие поверхности смогут использовать давление солнечного излучения не только для маневрирования, но и для поддержания требуемых орбитальных параметров. Проведенные расчеты демонстрируют, что сочетание управления ориентацией и принципа действия солнечного паруса позволит компенсировать возмущения на орбите без необходимости расходования топливных ресурсов. Это представляет собой значительную важность для системы, предназначенной для длительной работы и включающей в себя большое число аппаратов.

Отличительной чертой данной концепции является подход к доставке отражателей на Марс. Предлагается выводить их на низкую околоземную орбиту, после чего использовать давление солнечного света для самостоятельного перелета к Красной планете. В этом случае не потребуется разгонять всю систему к Марсу с использованием традиционной ракетной ступени и последующая посадка массивного оборудования на поверхность планеты. Это может существенно сократить затраты на создание орбитальной инфраструктуры.

В соответствии с предположениями, принятыми авторами, система площадью приблизительно 750 квадратных километров с поверхностной плотностью 20 г/м² могла бы стоить около 3,5 миллиардов долларов США. Расчет предполагает стоимость запуска в размере примерно 100 долларов за килограмм, аналогичную стоимость производства на килограмм и около 500 миллионов долларов на проведение исследований и разработок. Снижение поверхностной плотности до 10 г/м² позволит уменьшить оценочную стоимость приблизительно до 2 миллиардов долларов.

Использование дополнительного солнечного излучения может быть применено не только для работы солнечных электростанций. Эта энергия способна нагревать поверхности и упрощать процесс извлечения воды из залежей водяного льда, что делает регионы с относительно близким расположением такого льда к поверхности особенно перспективными. Тем не менее, при локальном нагревании открытый лёд будет подвергаться сублимации, а образовавшийся водяной пар со временем сможет перемещаться в более холодные зоны, поэтому для сбора и хранения добытой воды потребуется создание специальных систем.

Авторы исследования также рассматривают возможность применения данной технологии в гораздо большем масштабе – для изменения климата Марса. В теории, орбитальные отражатели можно будет использовать для направления солнечного света на залежи замороженного углекислого газа, расположенные в районе южной полярной шапки планеты. Нагрев этих запасов может спровоцировать сублимацию CO₂ и увеличить концентрацию углекислого газа в атмосфере Марса. Однако реализация подобных проектов потребует разработки конструкций с ещё меньшей плотностью – менее 5 г/м².

Основным ограничением на данный момент является разработка самих отражающих устройств. Они должны обладать одновременно рядом характеристик: чрезвычайно малый вес, возможность точной ориентации в пространстве, высокая степень натяжения мембраны для минимизации складок и способность направлять отражённый свет с высокой точностью на ограниченную площадь поверхности Марса. Помимо этого, такие аппараты потребуется производить в больших количествах, поскольку для создания необходимой общей отражающей площади потребуется создание целой группировки на орбите планеты.

Таким образом, представленное исследование не предлагает готового решения, которое можно было бы реализовать с использованием существующих технологий. Оно определяет инженерные параметры, при соблюдении которых орбитальные отражатели могут представлять практический интерес для обеспечения энергетической поддержки будущей марсианской колонии. Главной технологической задачей станет создание сверхлёгких управляемых отражающих конструкций, характеристики которых значительно превосходят современные солнечные паруса по соотношению площади к массе.

Исследование опубликовано в виде препринта на arXiv.