Пространство
Итак, мы посмотрели на космические тела солнечной системы, от Луны и Меркурия до Плутона и астероидов.
И теперь самое время задаться вопросом - а зачем нам вообще для колонизации планеты и спутники?
Смотрите сами - как правило, там очень экстремальные условия: высокие или низкие температуры, вакуум или ядовитая атмосфера, чудовищно высокая или наоборот слишком низкая сила тяжести. Извержения вулканов, геологическая нестабильность, воздействие космического излучения. Неестественный для человека суточный ритм. А еще большие энергетические затраты на старт и посадку космических аппаратов.
Раз нам придется все равно возводить высокотехнологичные убежища для жизни, так почему бы не строить их... в вакууме?
Орбитальная станция в любом месте системы должна защищать свой человеческий экипаж от одного и того же, известного и постоянного набора вредных факторов окружающей среды. И справиться с ними может быть даже легче, чем при базировании на поверхности.
К примеру - одним из самых серьезных факторов, ограничивающих колонизацию планет, является сила тяжести. Влияние микрогравитации на организм человека относительно неплохо изучено, и нет сомнений, что оно вредное. До сих пор остается неясным, хватит ли гравитации Луны или Марса для избежания вреда для здоровья. Вероятно, что не хватит.
И также вероятно, что с течением времени лунные и марсианские колонисты будут адаптироваться к гравитации нового дома, постепенно превращаясь в другой человеческий вид. Люди-марсиане последующих поколений не смогут жить в условиях земного тяготения. А это - прямой путь к обособлению, противопоставлению "мы-они" и гражданской войне. Оно нам надо? :)
В то же время силу тяжести планеты "исправить" не сможет даже такая продвинутая штука, как терраформирование. В будущем человечество, вероятно, разовьет свои технологии настолько, чтобы изменить состав и плотность атмосферы другой планеты, повысить или понизить там температуру, может быть даже раскрутить планетарное ядро для создания магнитного поля, защищающего от солнечной радиации... Но вот на силу тяжести не повлиять никак. Слишком уж это "базовый" параметр.
А орбитальная станция?
- Орбитальная станция может быть раскручена до нужной скорости (в зависимости от диаметра станции это могут быть единицы оборотов в минуту), и центробежная сила будет выполнять роль искусственной гравитации. Причем такой силы, какой нужно! Хоть чистую земную 1g, хоть поменьше, для легкости, хоть побольше, чтобы силу качать :)
Орбитальная станция - полностью искусственная среда, где человеку не придется подстраиваться под чуждые условия, а где он сможет создать с нуля самые оптимальные для себя условия.
- Помимо гравитации, важным фактором будет защита от космического излучения. Эта задача вообще должна быть решена в любом случае для освоения космоса - ведь такой защитой должны обладать и космические корабли, на которых люди полетят к другим мирам.
Таким образом, орбитальная станция будет использовать ту же защиту, что и корабли, причем на станции ее размещать будет еще и легче, из-за меньших требований к массе. Станции ведь не нужно ускоряться и замедляться, как кораблю, когда каждый килограмм массы влияет на уровень потребной для движения энергии.
Как именно защищаться - еще предстоит решить. Возможно, от заряженных частиц будут защищать электростатические экраны. Возможно - толстый слой радиосинтезирующих грибов, которые будут использовать излучение для роста. Возможно, будет достаточно слоя металла или камня.
- С остальным проблем нет вообще:
- смена "дня" и "ночи",
- комфортный климат,
- безопасная среда.
- При достаточно больших размерах станции не будет даже ощущения замкнутого пространства и искривленных стен.
- Снабжение водой, пищей и кислородом. При достаточных размерах на станции можно размещать растительные и рыбные фермы, снабжающие экипаж пищей и кислородом.
Станции меньшего размера будут зависимы от поставок ресурсов, но и с этим можно справляться. Развитие сельскохозяйственных технологий позволит производить больше пищи на ограниченной территории, как сейчас делают вертикальные фермы в городах. Развитие систем очистки и переработки позволит сократить потери воды и кислорода.
Также можно захватить и пристыковать к станции ледяной астероид - и можно будет постепенно перерабатывать его на воду и кислород. Таким образом возможно избежать зависимости космической станции от поставок ресурсов с Земли.
- В то же время космическая станция будет хорошо обеспечена энергией. Солнечные электростанции, развёрнутые в космосе, принципиально не будут зависеть от времени суток, сезонности и пылевых бурь, от состояния атмосферы и наличия свободного пространства. На некоторых планетах существуют "пики вечного света" - участки, постоянно освещаемые Солнцем. А в открытом космосе батареи _всегда_ можно сориентировать наиболее выгодным образом, чтобы получать максимальный поток энергии.
С учетом того, что места много, солнечные батареи большой площади смогут питать станцию даже довольно далеко от Солнца. Как минимум - на орбите Юпитера.
И ядерные реакторы понадобятся только для внешних рубежей Солнечной системы (на которых, как мы помним, сейчас особо и делать нечего, кроме научных целей).
И даже возможно, что и далекие станции будут снабжаться энергией Солнца, собранной и направленной в дальний космос по лазерному лучу через цепочку ретрансляторов энергии.
Насколько реальна сама концепция?
Намного реальнее, чем планетарные поселения - у человечества прямо сейчас есть на орбите обитаемая станция. И не первая, ведь до МКС в космосе работал целый ряд обитаемых станций разных конструкций. И не последняя - свою третью, на этот раз многомодульную, станцию собирается строить КНР, а сообщество стран планирует Gateway - орбитальную Лунную базу.
Поселений, колоний, баз на других планетах же - у людей нет и не было.
Конечно, современные станции пока тоже не похожи на полноценные обиталища. И на них даже нет искусственной гравитации.
Хотя о поселениях на орбите и "гравитации", создаваемой вращением станции, разговоры ведутся давно. Ещё в начале XX века К. Э. Циолковский создал теорию "эфирных поселений", то есть медленно вращающихся вокруг своей оси гигантских космических колоний в форме бубликов, где найдут пристанище многие тысячи человек.
Герман Поточник в конце 1928 г. под псевдонимом Герман Нордунг опубликовал единственную книгу «Проблема преодоления космического пространства: Ракетный двигатель», в которой на 188 страницах, содержавших 100 иллюстраций, предложил варианты создания космических станций и геостационарных спутников. Он подробно описал космическую станцию, состоящую из 3 модулей, связанных кабелем: "жилого колеса", которое должно было постоянно вращаться для создания искусственной силы тяжести, электростанции, вырабатывающей энергию из солнечного излучения через параболическое зеркало, и обсерватории.
В 1929 году Джон Десмонд Бернал представил проект космического поселения в виде сферы диаметром около 16 километров, наполненную воздухом и способную вместить 20-30 тысяч человек.
В 1952 году вышла статья Вернера фон Брауна "Пересекая последнюю грань", в которой описывалась необходимость создания американцами космической станции. Среди иллюстраций статьи за авторством художника Чесли Бонстилла впервые был опубликован эскиз космической станции в виде бублика. Согласно идеям фон Брауна и Вилли Лея, в таких станциях люди бы жили и работали в помещениях, соединённых в один большой коридор. Вращающееся колесо станции имело бы диаметр 76 метров, три яруса, и вращалось бы с частотой 3 оборота в минуту, обеспечивая гравитацию в одну треть земной. Экипаж станции составлял бы 80 человек.
Этот проект рассматривался как следующий шаг после программы "Меркьюри".
В 1965 году в центральном научном издании Американского общества астронавтики было опубликовано предположение, что идеальной формой для будущих населённых космических станций был бы тор (бублик). Если космическая станция такой формы вращается вокруг своей оси, то все её модули расположены в месте, где значение искусственной силы тяжести имеет наибольшую величину, и проблема создания искусственной гравитации уже во многом решёна.
Стэнфордский тор
Летом 1975 года студентами Стэнфордского университета был предложен проект Стэнфордского тора, космического поселения в виде тора (неожиданно :) ), способного вместить от 10 до 140 тысяч человек. Стэнфордский проект продолжает концепцию фон Брауна и Поточника.
Он представляет собой тор диаметром около 1,8 километра (для проживания 10 тысяч человек, как описывалось в работе 1975 года) и вращается вокруг своей оси (совершая один оборот в минуту), создавая на кольце искусственную гравитацию в 0,9 — 1 g за счёт центробежной силы.
Солнечный свет поступает внутрь через систему зеркал. Кольцо соединяется со ступицей через "спицы"-коридоры для движения людей и грузов до оси и обратно. Ступица — ось вращения станции — лучше всего подходит для стыковочного узла приёма космических кораблей, так как искусственная гравитация тут ничтожна: здесь находится неподвижный модуль, пристыкованный к оси станции.
Цилиндр О’Нила
В 1970-1980 годах группой студентов из Принстона под руководством Джерарда О’Нила был разработан проект космического поселения в виде цилиндра. Всего О’Нил представил три работы о космических поселениях. Первая работа, "Остров I", представляла собой сферу Бернала диаметром 512,27 метра (тогда окружность сферы равна 1 миле) и вращающуюся со скоростью 1,9 оборота в минуту, производя в районе экватора гравитацию, сравнимую с земной. Внутренний ландшафт сферы походил бы на большую долину, проходящую по экватору сферы. На станции могло бы проживать около тысячи человек, а также хватило бы места для занятия сельским хозяйством. Солнечный свет проникал бы во внутренность сферы через сеть внешних зеркал и направлялся через большое окно на полюсе.
Остров Два предполагался тоже в виде сферы приблизительно 1800 метров в диаметре, благоприятная для жизни экваториальная окружность составила бы 6,5 километра. При таких размерах эта среда могла бы быть комфортабельным домом приблизительно для 140 000 человек.
И наконец Остров Три, известный как "Цилиндр О’Нила", описанный О’Нилом в книге "Высокий рубеж". Он представлял собой два очень больших вращающихся в противоположных направлениях цилиндра, каждый по 8 километров в диаметре и 32 километра в длину, связанные друг с другом с концов штоками через систему подшипников. Вращаясь, они создают искусственную гравитацию на своей внутренней поверхности за счёт центробежной силы.
Каждый цилиндр имел бы шесть равных участков полос по длине цилиндра: три окна и три "страны". Более того, внешние сельскохозяйственные кольца, 16 километров радиусом, вращались бы с разными скоростями в целях ведения разных видов сельского хозяйства. Промышленный блок располагался в середине, где минимальная гравитация или полная невесомость способствовала бы проведению некоторых операций для производства.
Чтобы избавиться от колоссальных расходов на транспортировку материалов для сборки с Земли, эти станции должны были изготавливаться с помощью материалов, транспортируемых из космоса, например, с Луны.
При большом радиусе цилиндр будет вращаться со скоростью в 40 оборотов в час, имитируя обычное земное притяжение. Исследования показывают, что почти ни один человек не страдает от морской болезни при таком движении. Люди могут замечать направление вращения при повороте головы, также при падении предметов они будут отклоняться на несколько сантиметров. Центральная ось остается зоной невесомости.
Станцию планировалось обеспечивать атмосферой с давлением, равным половине земного, и состоящей из 40% кислорода и 60% азота. Такое давление позволяло уменьшить нагрузку на стены. А при таких масштабах станции воздух внутри цилиндра обеспечивал бы адекватную защиту от космических лучей.
Кольцо Бишопа
это тип гипотетической вращающейся космической среды обитания, предложенный в 1997 году Форрестом Бишопом из Института инженерии атомного масштаба. Концепция представляет собой уменьшенную версию Орбиталей Иена Бэнкса, которые сами по себе являются уменьшенной версией Мира-Кольца Нивена. Как и другие конструкции космических поселений, Кольцо Бишопа будет создавать искусственную гравитацию за счет центробежной силы. Конструкция отличается от классических проектов 1970-х годов Джерарда К. О'Нила и НАСА тем, что в ней будут использоваться углеродные нанотрубки вместо стали, что позволяет построить станцию намного большего размера. В первоначальном предложении Кольцо будет иметь радиус примерно 1000 километров и ширину 500 километров, и иметь площадь 3 миллиона квадратных километров жилого пространства, что сопоставимо с площадью Аргентины или Индии.
Из-за своего огромного размера Кольцо не нужно было бы заключать в ограждение, как Стэнфордский тор: его можно было бы построить без "крыши", и атмосфера, удерживалось бы искусственной гравитацией и атмосферными стенами примерно в 200 километров в высоту. Станция должна быть ориентирована так, чтобы ее ось вращения была перпендикулярна плоскости ее орбиты, либо с зеркалами для отражения солнечного света на внутреннем ободе, либо с искусственным источником света в середине, питаемым от солнечных панелей на внешней стороне.
Орбитальные поселения - это прямо классика идей освоения космоса. Так что остается только удивляться, почему они до сих пор не развиты достаточно.
НАСА никогда не пыталось построить космическую станцию с вращающимся колесом по нескольким причинам. Во-первых, построить такую станцию будет очень сложно, и сложности, хотя и не выходят за рамки технических возможностей, будут выходить за рамки имеющихся бюджетов. Во-вторых, НАСА считает нынешнюю орбитальную станцию, МКС, ценной как лаборатория невесомости, и ее нынешняя микрогравитационная среда была выбрана сознательно.
Впрочем, остается неясным, почему не проводились эксперименты с "центробежной гравитацией", хоть отдельным проектом, хоть модулем МКС, который позволил бы провести испытания концепции, не нарушая общей среды станции.
Тем более, такой проект даже был разработан.
Наутилус-X (неатмосферный универсальный транспорт, предназначенный для длительных исследований Соединенными Штатами) Nautilus-X (Non-Atmospheric Universal Transport Intended for Lengthy United States Exploration) - это концепция космической станции с вращающимся колесом, разработанная инженерами Марком Холдерманом и Эдвардом Хендерсоном из группы оценки технологических приложений НАСА.
Концепция была впервые предложена в январе 2011 года для длительных (от 1 до 24 месяцев) космических путешествий экипажа из шести человек. Чтобы ограничить влияние микрогравитации на здоровье человека, космический корабль будет оснащен центрифугой.
Предполагалось, что эта конструкция будет относительно недорогой по стандартам космических полетов с экипажем - она будет стоить всего 3,7 миллиарда долларов США.
Чтобы оценить и охарактеризовать влияние вращения на человека и механические узлы, демонстрационный образец центрифуги предложено было сначала протестировать на МКС.
Если бы эта центрифуга была произведена, она стала бы первой демонстрацией достаточного масштаба в космосе для изучения эффектов искусственной гравитации. Демонстрационный образец мог бы быть отправлен с использованием единственной пусковой установки Delta IV или Atlas V. Полная стоимость такого демонстратора составила бы всего от 83 до 143 миллионов долларов США.
Тем не менее, дальше концепта дело не продвинулось.
Нет планов использования вращающихся элементов и в проекте будущих станций.
Автор этих строк даже писал письмо в НАСА с вопросом о перспективной лунной орбитальной станции Gateway. Почему там не планируется постройка вращающегося модуля, который был бы шикарной возможностью отработки технологии искусственной гравитации для будущих космических миссий.
Получил стандартный вежливый ответ "Спасибо за интерес, Лунная станция - великий проект... бла-бла-бла... без вас разберемся".
Хотя про лунную станцию еще можно понять. Устанавливать там неотработанную технологию может быть опасно, из-за общей удаленности станции от Земли.
Но вот почему бы не установить модуль на МКС - вопрос. Установлен же там надувной модуль Бигелоу, именно как демонстратор идеи.
Где размещать космические поселения?
Да где угодно! :)
Малин, что ль, мало в Марьиной роще?
В том и прелесть орбитальных космических станций, что они могут размещаться там, где захочется и где удобно для целей колонизации.
Так, в предложениях НАСА 1970-х годов космические станции должны были быть размещены в окололунном пространстве или лагранжевых точках L4/L5 Земля-Луна. Форрест Бишоп рассмотрел для своего Кольца и другие возможные положения, в том числе гораздо более удаленные лагранжевые точки L4/L5 Солнце-Земля, положения ближе к Солнцу и положение в поясе астероидов или за его пределами.
Точки Лагранжа, точки либрации (лат. librātiō — раскачивание) или L-точки — точки в системе из двух массивных тел, в которых третье тело с пренебрежимо малой массой, не испытывающее воздействия никаких других сил, кроме гравитационных, со стороны двух первых тел, может оставаться неподвижным относительно этих тел.
Космическая станция, расположенная в точке L1 системы "Земля — Луна" может стать идеальным местом для мониторинга и координации перелётов и коммуникаций между Землёй и Луной. Корабль, запущенный из L1, сможет достичь любой точки на поверхности Луны в течение нескольких часов, максимум — одного дня. Поэтому данная точка идеальна для создания "антикризисной станции" для решения неотложных проблем, возникших на Луне. Также станция в данной точке может стать пересадочным узлом для космонавтов и для космических туристов, путешествующих на Луну. В станции в точке L1 можно создать сборочный и ремонтный центр для космических кораблей в Солнечной системе.
Точка L2 (на обратной стороне Луны) полностью закрыта Луной от Земли, поэтому это идеальное место для размещения радиотелескопа из-за естественной защиты от помех с Земли.
Точки L1 и L2 потребуют активного позиционирования станции на орбите, так как эти точки не являются полностью стабильными. Небольшие корректировки положения космических станций, расположенных на них, потребуются как минимум раз в две недели. Станции, расположенные в точках L4 и L5, будут стабильны без активного позиционирования. Их можно использовать в качестве промежуточных станций для путешествий в окололунном пространстве и вовне.
Точка L1 в системе "Солнце — Земля" идеально подходит для наблюдений Солнца из-за близости к Земле и постоянной видимости Солнца. Также здесь можно разместить солнечные батареи для сбора энергии.
Точка L2, напротив, всегда находится в тени Земли, поэтому она подходит для размещения космических телескопов. Точки L4 и L5 в системе "Солнце — Земля" могут использоваться как пересадочные станции для космических путешествий.
Ну и конечно, станции могут вращаться на орбитах вокруг интересных планет и спутников, которые являлись бы целями изучения/освоения экипажами станций. Причем эти орбиты могут быть различными, лучше всего отвечающими задачам миссии.
Резюме:
Таким образом - орбитальные космические поселения являются отличным местом для жизни людей в космосе. Все вредные факторы чуждой среды могут быть устранены или минимизированы с помощью технологий. А благодаря своей универсальности станции могут работать в самых разных местах Солнечной системы.
Экипажи станций смогут выполнять задачи колонизации космоса на самих станциях, либо временно отправляясь на планеты и спутники, либо управляя автоматическими аппаратами на поверхности этих тел. При этом из-за близости расположения оператора не будет проблемы запаздывания сигнала, да и в случае аварии ремонтная команда может быть отправлена на поверхность в короткие сроки.
Космические станции имеют интересный эффект - с увеличением размеров поселение становится все более комфортным и самодостаточным. Достаточно большое сооружение будет предоставлять комфортную и безопасную среду для десятков тысяч человек.
Строительство космических поселений целесообразно проводить непосредственно в космосе, из космических материалов же - используя огромные ресурсы астероидов. Другим вариантом была бы доставка строительных материалов с поверхности планеты с меньшей силой тяжести, для облегчения запусков.
Разумным было бы постепенно строительство космических поселений - сначала небольшая станция, построенная из материалов с Земли, затем, используя ее как базу - строительство большей станции.
Станции могут иметь разную форму - сферы, цилиндра, кольца.
На настоящий момент строительство даже относительно больших станций с искусственной гравитацией находится полностью в зоне технологических возможностей землян. Однако не существует даже намерений подобного строительства, в связи с общим низким интересом к планомерному освоению космоса.
***
В следующей статье мы поговорим о терраформировании.
Спасибо за внимание!
__________
Все статьи цикла "Колонизация Солнечной системы":