Terraforming

mini|Künstlerische Darstellung eines terraformten Mondes (Vorderseite) mini|Künstlerische Darstellung eines terraformten Mondes (Rückseite)

Terraforming (entlehnt aus dem lateinischen und englischen für die „[Um-]Bildung zur [Ersatz-]Erde“ oder kurz „Erdumbildung“) ist die Umformung anderer Planeten in bewohnbare erdähnliche Himmelskörper mittels zukünftiger Technologien. Planeten oder Monde sollen so umgestaltet werden, dass darauf menschliches Leben mit geringem oder ohne zusätzlichen technischen Aufwand möglich wird.

Der Begriff geht auf den Science-Fiction-Roman Collision Orbit von Jack Williamson aus dem Jahre 1942 zurück und wurde später von der Wissenschaft aufgegriffen.

Die Grenzen der Bewohnbarkeit Die Grenzen der Bewohnbarkeit werden vom Planetenwissenschaftler Christopher McKay wie folgt geschätzt:C. McKay, J. Kasting, O. Toon: Making Mars Habitable (englisch) – Nature (Ausgabe 352), am 8. August 1991, S. 489–496.

Parameter Grenzen Wert auf Erde Bemerkungen zu Grenzen Globale Temperatur 0–30 °C 15 °C Nur Pflanzen  Gesamtdruck > 10 hPa 1000 hPa Wasserdampfdruck + O2, N2, CO2 Kohlendioxid > 0,15 hPa 0,39 hPa Untergrenze der Photosynthese; keine klare Obergrenze Stickstoff > 1–10 hPa 800 hPa Stickstofffixierung Sauerstoff > 1 hPa 200 hPa Pflanzliche Atmung Menschen Luftgemisch > 500 hPa < 5.000 hPa1000 hPa Entspricht 5,5 km über NN auf Erd-Gebirgen Stickstoffnarkose Kohlendioxid < 10 hPa0,39 hPa Begrenzt durch CO2-Vergiftung Stickstoff > 300 hPa800 hPa Pufferwirkung Sauerstoff > 130 hPa < 300 hPa  200 hPa Untergrenze durch Atemnot Obergrenze durch Brandgefahr und durch Toxizität (die hPA-Angaben zu einzelnen Gasen sind als Partialdruck zu verstehen).

Venus mini|Künstlerische Darstellung einer terrageformten Venus

Ausgangsbedingungen Auf der Venus-Oberfläche herrschen Temperaturen von mehr als 450 °C und ein Druck von rund 92.000 hPa. Jede bekannte Form organischen Lebens würde sofort verkohlen. Außerdem sind die Tage auf der Venus mit 117 Erdtagen sehr lang.All About Venus. NASA, abgerufen am 9. März 2021. Selbst wenn es gelänge, den Treibhauseffekt zu reduzieren, könnten sich außerhalb der Polregionen starke Temperaturschwankungen zwischen Tag- und Nachtseite einstellen.

Ein weiteres Problem ist die Wärmekapazität des Gesteinsmantels. Selbst wenn die Atmosphäre nach einigen Jahrhunderten künstlich auf für Menschen erträgliche Temperaturen gesenkt worden wäre, wäre die Oberfläche der Gesteine noch immer rund 400 °C heiß – und das Auskühlen könnte weitere Jahrhunderte dauern.

Die Atmosphäre der Venus besteht hauptsächlich aus CO2. In etwa 50 km Höhe herrschen Temperaturen zwischen 20 °C und 100 °C (je nach Höhe) und Luftdruck von einigen wenigen (Erd-)Atmosphären. In dieser Höhe gibt es schwefelsäurehaltige (also für viele bekannte Lebewesen giftige) Wolken.

Wasser und Temperaturinversion Auch auf der Venus gibt es eine Temperaturinversion (vgl. Tropopause auf der Erde).

Auf der Erde liegt in einer Höhe von 9 bis 17 Kilometern eine kalte Luftschicht (−60 °C). Diese führt dazu, dass dort Wasserdampf kondensiert bzw. gefriert. Darum sind die darüber liegenden Schichten der Atmosphäre äußerst trocken. Dadurch wird nur sehr wenig Wasser in den oberen Schichten durch UV-Strahlung gespalten. Infolgedessen entweicht nur sehr wenig Wasser (Wasserstoff) von der Erde in den Weltraum.

Die Temperaturen auf der Venus sind aber zu hoch, sodass Wasserdampf zwar abgekühlt, aber nicht flüssig wird. Die Atmosphäre ist sehr dicht, wodurch sie sehr viel Wasserdampf aufnehmen kann. Der Wasserstoff gewinnt an Auftrieb. Durch den Sonnenwind werden so stetig enorme Mengen an Wasserstoff in den Weltraum abgetragen. Die Venus hat dadurch einen Großteil ihrer Wasservorräte verloren.

Methoden für die Venus Terraforming könnte beispielsweise durch das Einbringen von Grünalgen in die CO2-reiche Atmosphäre geschehen. Dies soll eine Anreicherung von Sauerstoff bei gleichzeitiger Minderung des Treibhauseffekts durch den Verbrauch von CO2 durch die Photosynthese der Algen bewirken. Das dafür benötigte Wasser müsste aus der Zersetzung von Schwefelsäure oder durch das Einfangen von Kometen gewonnen werden. Ohne Wasser ist die Schwefelsäure heute aber zu hoch konzentriert. Außerdem entsteht Schwefelsäure zwar als Stoffwechselendprodukt irdischer Bakterien, es gibt aber keine bekannten Organismen, die sie als Nahrung nutzen und aufspalten.

In höheren Atmosphärenschichten sind Druck und Temperatur gemäßigt. Dort könnte es also günstigere Bedingungen für schwebende Pflanzen, quasi Luftplankton, geben. Die chemischen Bedingungen sind geprägt vom hohen Gehalt an Schwefelsäure. Die Grünalgen-Idee scheint nicht direkt umsetzbar zu sein, denn die Bedingungen für das Überleben der Pflanzen müssten von ebendiesen Pflanzen erst geschaffen werden. Allerdings ist es denkbar, dass die Algen aus Schwefelsäure und CO2 Wasser und Kohlenwasserstoffe erzeugen und somit in ihre Biomasse umwandeln. Solche Algen sind auf der Erde jedoch nicht bekannt, zumal sie in einem weitgehend wasserlosen Milieu existieren müssten.

Wenn die Venus unter den kritischen Punkt von 374 Grad käme, würde Wasser unter dem hohen Druck flüssig werden und ausregnen. Dadurch entfiele der Treibhauseffekt des Wasserdampfes, der rund 20-mal so effektiv wie CO2 sein soll. Außerdem würde das flüssige Wasser noch zusätzlich Wärme in den Weltraum reflektieren. Vorher würden die Temperaturen durch das freigesetzte Wasser allerdings noch weiter ansteigen, was ein weiteres Hindernis für die Terraformierung der Venus ist.

Vorstellbar ist in Verbindung mit einer Kolonisierung auch der Bau luftschiffähnlicher, schwebender Stationen in der Hochatmosphäre der Venus, und vielleicht auch die Zucht schwebender, ballonähnlicher Pflanzen als Nahrungsmittel. Die schwebenden Städte könnten – laut Robert Zubrin – mit Schilden verbunden werden, die einen Schatten werfen und somit den Planeten kühlen würden. Außerdem könnten diese Schilde aus Kohlenstoff erzeugt werden, den es vor Ort in Massen in der Atmosphäre gibt. Die Venus bleibt, was das Terraforming betrifft, trotzdem ein extrem schwieriger Planet.

Der Venusboden enthält vermutlich große Mengen an einfach oxidierten Metallen (FeO, MgO, CaO, …). Bis heute ist ungeklärt, warum die Stoffe im Regolith (Venusboden) nicht in größeren Mengen mit Kohlendioxid (CaO+CO2 → CaCO3) reagiert haben. In der schwefelsauren Umgebung sind Carbonate nicht stabil.

Es wurde vorgeschlagen, den Boden kräftig zu durchpflügen, um so durch eine Kohlenstoffsenke größere Mengen des Treibhausgases zu binden.Mark A. Bullock, David H. Grinspoon: The stability of climate on Venus. In: Journal of Geophysical Research: Planets. 101, 1996, S. 7521, doi:10.1029/95JE03862; siehe auch

Mars

mini|Umwandlung des Planeten Mars in vier Stufen mini|Umwandlung des Planeten Mars in vier Stufen mini|Fotomontage, die einen terraformten Mars darstellt. In der Mitte sieht man die Mariner-Bay und am nördlichen Rand einen Teil des Acidalia-Planitia-Polarmeeres.

Ausgangsbedingungen Der vorhandene atmosphärische Druck liegt bei 0,75 % des irdischen Druckes. Die Temperaturen an der Oberfläche schwanken (je nach Pol- bzw. Äquatornähe) zwischen −85 °C und +20 °C Die Atmosphäre besteht zu 95 % aus CO2. Solange das planetare Magnetfeld fehlt, kann der Mars unter Einfluss des Sonnenwindes eine Atmosphäre nicht dauerhaft halten. Sobald der innere Kern erstarrt ist, bildet sich durch den fehlenden Dynamo-Effekt kein Magnetfeld mehr.

Damit sich der Mars zu einer so genannten „zweiten Erde“ entwickeln kann, wären folgende Veränderungen notwendig:

Die Oberflächentemperatur müsste um etwa 60 Kelvin erhöht werden. Die Dichte der Atmosphäre müsste erhöht werden. Untergrenze wäre hier, abhängig vom Gasgemisch, 300 hPa, was 1/3 des Drucks auf der Erde entspricht. Eine 1000 hPa (1 bar) dichte Atmosphäre würde aufgrund der geringeren Schwerkraft bedeuten, dass die Atmosphärenhöhe fast dreimal so hoch wie auf der Erde wäre. Die Stickstoffreserven des Mars werden als gering eingeschätzt; Schätzungen sprechen hier nur von einer Menge von 100–300 hPa Stickstoff. Möglicherweise hat er sich auch mineralisch abgelagert. Flüssiges Wasser müsste verfügbar gemacht werden (tritt bei dichterer Atmosphäre automatisch ein). Der Anteil von O2 (Sauerstoff) und InertgasenK. R. Sridhar, J. E. Finn, MH Kliss: (englisch) – Adv Space Res; 25(2), 2000, S. 249–55. PMID 11542809 wie N2 (Stickstoff) in der Atmosphäre müsste erhöht werden, wobei (ein gewisser Prozentsatz an) Stickstoff den Vorteil mit sich bringt, dass er Pflanzen das Leben ermöglicht, allerdings wäre auch jedes andere reaktionsträge Gas (oder Gasgemisch wie Stickstoff mit Xenon) denkbar. Man müsste die Atmosphäre so auslegen, dass sie eine Tropopause in tieferen Schichten hat, die das Wasser unterhalb dieser gefangen hält. Dieser Effekt hat die Erde vor Austrocknung geschützt. Im Gegensatz zur Venus, wo selbst die kältesten Schichten nicht unter 0 °C sind, sodass das Wasser nicht abregnet und weiter in die höheren Schichten durchtritt. Dort wird es dann photodissoziiert und der Wasserstoff durch den Sonnenwind in den Weltraum geblasen.

Methoden für den Mars Beim Mars kann ein Terraforming am Kohlendioxid (CO2) ansetzen, das in großen Mengen im Polkappeneis gespeichert ist. Schätzungen umfassen etwa 300 bis 600 hPa (oder englisch ).Technological Requirements for Terraforming Mars (englisch) – , Juni 1993, ; siehe auch users.globalnet.co.uk Größere Mengen (450–900 hPa) von CO2 sind im Regolith gebunden. Damit ließe sich theoretisch eine dichte kohlendioxidhaltige Atmosphäre schaffen, die aber für Menschen giftig ist. Selbst Pflanzen können nur eine Menge von rund 50 hPa CO2 vertragen. – Terraforming – Der Mars. S. 8; Deutsche Raumfahrt Gesellschaft; u. a. mit „[…] und Pflanzen nicht viel mehr als 50 millibar.“ (abgerufen am 2. Oktober 2016). Jedoch ist von Algen bekannt, dass diese sich selbst in reinen Kohlendioxidatmosphären wohlfühlen. Manche Algenarten gedeihen sogar am besten in reinem CO2. Zur Initiierung des Treibhauseffektes sind verschiedene Methoden denkbar.

Bei allen Methoden ergeben sich durch verkettete Reaktionen folgende Resultate: Dichtere Atmosphäre durch das freigewordene CO2. Ist diese genügend dicht (etwa 1/3 des irdischen Luftdrucks, was dem Luftdruck auf dem Mount Everest entspricht), dann entfällt die Notwendigkeit für einen Druckanzug. Höhere Temperaturen durch Treibhauseffekt, dadurch auch weitere Anreicherung der Atmosphäre durch sich selbst verstärkendes Abschmelzen der Marspolkappen. Flüssiges Wasser durch Druck- und Temperaturerhöhung. Flüssiges Wasser bildet unter Einfluss der kohlendioxidreichen Atmosphäre Kohlensäure, die aus dem Regolith CO2 lösen kann. Die Kohlensäure könnte unter Umständen Stickstoff aus den nitratreichen Mineralien extrahieren, somit die Atmosphäre mit Stickstoff anreichern und verdicken. Der freiwerdende Wasserdampf ist ein gutes Treibhausgas (4-fache Effektivität von CO2).

Nach einer durch die NASA unterstützten und 2018 veröffentlichten wissenschaftlichen Studie gibt es jedoch auf dem Mars nicht genügend Kohlenstoffdioxid, das in der Atmosphäre einen Treibhauseffekt auslösen könnte, der für lebensfreundliche Verhältnisse sorgen würde.Heise Newsticker: NASA: Mit absehbaren Mitteln kein Terraforming des Mars möglich

Weltraum-Spiegel