Космические колонии

Миллиард лет назад на суше не было жизни, а всё живое, существовавшее тогда на Земле, находилось в глубинах океана. Но уже 400 миллионов лет назад живые существа не только выбрались на сушу, но и вовсю освоили и поверхность планеты, и даже атмосферу. Сейчас мы находимся в самом начале аналогичного, возможно, даже более важного этапа развития. Настала пора осваивать космос.

Сегодня вся наша планета кишит жизнью, но, как мы видим, в ближайшем космическом пространстве есть лишь малая горстка космонавтов, астронавтов и тайконавтов, а также немножко растений, животных, бактерий и грибов. Всё это находится, в основном, на двух космических станциях - МКС и Тяньхэ. Автоматические аппараты типа Пионеров и Вояджеров не в счёт – они не живые. Практически, за пределами орбиты МКС никакой известной нам жизни нет (разве что вот недавно четверо американцев слетали к Луне, но по-быстрому вернулись). Тем не менее мы в силах изменить эту ситуацию, если колониальные замашки некоторых правителей не приведут к полному уничтожению всего живого на планете, ну или не полному, но очень ощутимому.

Люди мечтают об освоении космоса испокон веков. В начале XX века эти мечты стали облачаться в некие научные и инженерные рамки. В середине и ближе к концу века было предложено множество различных теоретических решений для космических поселений. Руку к этому приложили не только такие корифеи космонавтики и ракетостроения как Циолковский и Вернер фон Браун, но и многие другие учёные и просто энтузиасты.

В 1970-х годах прошлого века физик из Принстона Джерард О'Нил совместно с коллегами из исследовательского центра Эймса (НАСА) и студентами Стэнфордского университета на протяжении трёх летних каникул хорошо и плотно поработал над темой космических колоний в пространстве, и пришёл к выводу, что у человечества вполне достаточно сил и технологий, чтобы строить гигантские жилые космические станции. Причём станции настолько большие, чтобы в них можно было постоянно и комфортно жить не нескольким космонавтам, а десяткам тысяч людей.

Произошедшие за полвека открытия, накопленный опыт и приобретённые технологии в наши времена значительно приблизили эту мечту. Пока ещё люди приобрели опыт только в построении «небольших» станций типа Салютов, Мира, МКС. Но в недалёком будущем люди действительно могут увидеть тысячи и даже миллионы космических станций-поселений в свободном пространстве по всей Солнечной системе. Чтобы эти мечты превратились в реальность, нужно «всего лишь» прекратить войны, перестать ср%ться по любому поводу, объединить усилия и обратить свои взоры, технологии и ресурсы вверх, в небо, к планетам и звёздам. И всё будет!

Наши родители застали запуск первого искусственного спутника, первые полёт и выход человека в космос, увидели первый шаг человека на Луне. Мы видели, как космические аппараты исследуют поверхности Луны, Марса, Венеры, пролетают мимо Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и даже Плутона, «приземляются» на спутники внешних планет, на кометы и даже преодолевают гелиосферу. Медленными шагами, но человечество всё же движется в правильном направлении. Россией и США готовятся пилотируемые миссии на Марс, на смену Салютам и Миру пришла МКС, китайцы активно начали развивать свою орбитальную станцию Тяньгун, Россия проектирует новую станцию РОС. Возможно, наши дети и внуки смогут не только увидеть, но и сами поучаствовать в подобных миссиях, летать на другие планеты и жить в космическом пространстве в гигантских жилых космических станциях, не только на орбите Земли, но и возможно дальше – в точках Лагранжа систем Земля-Луна и Солнце-Земля.

Космические станции в свободном космосе могут стать прекрасным местом для жизни; размером с небольшой городок, с зонами искусственной гравитации и невесомости, с фантастическими видами, различными ландшафтами, широкими просторами и довольно большими возможностями.

Основная проблема, которая сейчас видится при проектировании космических станций – это проблема гравитации, вернее её отсутствия. Одно дело слетать в космос на короткое время и вернуться в лоно своей родной планеты. Совсем другое - жить в условиях невесомости или недостаточной силы тяжести. Людям, не знакомым с этой проблемой, отсутствие веса кажется сплошным большим плюсом. Но это, к сожалению, не так.

Жизнь в условиях невесомости (микрогравитации) оказывает значительное влияние на организм человека, вызывая ряд физиологических, психологических и когнитивных проблем:

• Деминерализация костей и мышечная атрофия. В условиях отсутствия гравитационной нагрузки кости теряют кальций, что приводит к снижению их плотности и риску переломов. Мышцы также ослабевают, так как не испытывают привычной нагрузки. По данным NASA, астронавты могут терять до 1% костной массы в месяц во время длительных миссий.
• Перераспределение жидкости в организме. Кровь и тканевая жидкость смещаются в сторону головы, что может вызывать отёчность лица и уменьшение объёма ног. Также возрастает внутричерепное давление, что иногда провоцирует головные боли и нарушения зрения.
• Изменения в работе сердечно-сосудистой системы. Объём крови уменьшается на 10–15%, сосуды теряют тонус. После возвращения к земной гравитации резкий прилив крови к ногам может привести к падению давления и недостаточному кровоснабжению мозга, что повышает риск обморока.
• Нарушения вестибулярного аппарата. В первые дни пребывания в космосе у многих космонавтов возникает «космическая болезнь» — тошнота, головокружение, дезориентация, бледность, рвота. Это связано с нарушением работы вестибулярного аппарата, который на Земле настроен на восприятие гравитационных сигналов.
• Изменения в работе мозга. Адаптация к невесомости перестраивает нейронные связи, отвечающие за восприятие и движение. Чтобы компенсировать недостаток информации от вестибулярного аппарата, мозг чаще обращается к зрительным и тактильным системам.
• Дезориентация в пространстве. Из-за отсутствия привычных ориентиров (например, смены дня и ночи) и сенсорного конфликта (несоответствия информации от зрения и вестибулярного аппарата) возникает дезориентация.
• Ухудшение когнитивных функций. Длительное пребывание в микрогравитации и нестабильное эмоциональное состояние могут снижать память, внимание и скорость обработки информации.
• Усложнение гигиенических процедур. В невесомости жидкости не стекают вниз, трудно мыться, ходить в туалет.
• Проблемы с воспроизведением. Толком также не известно, получится ли вообще в условиях невесомости нормально забеременеть, выносить и родить ребёнка.

Современные навты¹⁾ тратят много времени и усилий, «борясь» с невесомостью на орбите, а также с последствиями долгого нахождения в невесомости после возвращения на Землю. В полной невесомости долгое, а тем более постоянное, существование человека в нынешнем неизменённом виде невозможно. По мнению современных учёных гравитация должна быть хотя бы 0.5g, чтобы всё вот это можно было минимизировать до допустимого уровня. Иначе человеку придётся сильно адаптироваться на генетическом уровне, но это всё в любом случае будет происходить совсем не быстро. А с чего-то надо начинать.

Создание искусственного гравитационного поля с помощью неких силовых полей – пока чистая фантастика. Основной заменой силе тяжести представляется ньютонова центробежная сила. Поэтому все проекты космических поселений обязательно включают в себя вращающиеся части. С таким техническим решением тоже не всё так просто, потому что при небольших размерах станции придётся её слишком быстро вращать, а в этой ситуации будет сильно проявляться эффект Кориолиса, что тоже может влиять и на вестибулярный аппарат, и на физиологию, и на само это решение. Тем не менее, пока это основной подход.

В условиях невесомости и отсутствия атмосферы вращать можно, в общем-то, конструкции любых форм. Но с точки зрения экономии нужно создавать такие конструкции, чтобы основная их масса находилась как раз в области «нормального» ускорения, создаваемого за счёт центробежной силы. А это проще обеспечивать телами вращения. Поэтому в основе предлагаемых конструкций обычно лежат сфера, цилиндр и тор.

Стэнфордский тор — проект космического поселения (большой космической станции, т.н. «Пространственной среды») в форме тора (бублика), способного вместить от 10 до 140 тысяч жителей.

Стэнфордский тор был предложен НАСА в течение лета 1975 года студентами Стэнфордского университета с целью осмыслить проект будущих космических колоний. Позже Джерард О’Нил представил свой Остров Один или Сферу Бернала, как альтернативу тору.

Вариант «Стэнфордского тора», только в более детальной версии, представляющей собой концепцию кольцевидной вращающейся космической станции, был ещё задолго до О'Нила предложен Вернером фон Брауном. Правда, это была чисто военная разработка.

Итак, станция представляет собой тор диаметром около 1,8 километра (для проживания 10 тыс.человек, как описывалось в работе 1975 года) и вращается вокруг своей оси (оборот в минуту), создавая на кольце искусственную гравитацию в 0.9—1g 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. С противоположной стороны «оси» на довольно большом расстоянии (до 10 км) находится промышленный блок и основной источник энергии – ядерный реактор, соединённый с основным поселением длинным «кабелем». Вынос промышленных мощностей подальше от жилой зоны позволит обеспечить приемлемый уровень безопасности и исключить загрязнения.

Внутреннее пространство тора является жилым, оно достаточно большое для создания искусственной экосистемы, природного окружения, и внутри напоминает длинную узкую долину, концы которой загибаются вверх, формируя «бублик». Население живёт здесь в условиях, подобных густонаселенному пригороду, причем внутри кольца имеются отделения и для занятия сельским хозяйством, и жилая часть.

Варианты таких поселений описывались во многих фантастических произведениях и даже были проработаны в фильмах, например «Элизиум. Рай не на Земле».

Сфера Бернала — это тип орбитальной станции и космического поселения, предложенный ещё в 1929 году Джоном Десмондом Берналом; «пространственная среда», предназначенная для постоянного проживания людей. Оригинальный проект Бернала представлял собой сферу диаметром около 10 миль (16 км), способную вместить 20—30 тыс. человек и наполненную воздухом.

В серии проектных работ, рассматривавшихся в 1975 и 1976 годах Стенфордским университетом, с целью изучения проектов будущих космических колоний, Джерард О’Нил предложил «Остров I», модифицированную Сферу Бернала, диаметром всего лишь 500 метров и вращающуюся со скоростью 1,9 оборота в минуту, производя подобную земной искусственную гравитацию в районе экватора сферы.

В результате внутренний ландшафт сферы походил бы на большую долину, проходящую по экватору сферы.

«Остров I» будет обеспечивать жизнь и отдых космическому населению, в среднем, тысячи человек со специальным отделением, предназначенным для занятия сельским хозяйством.

Солнечный свет должен попадать внутрь через сеть внешних зеркал и направляться на внутреннюю поверхность сферы через большое окно на полюсе.

Форма сферы была признана оптимальной для сдерживания внутреннего давления и отражения солнечной радиации.

О’Нил придумал и следующее поколение данных космических станций как улучшенную версию Острова I. Остров II будет приблизительно 1800 метров в диаметре, благоприятная для жизни экваториальная окружность составит 6,5 километров (4 мили). При таких размерах эта среда может быть комфортабельным домом приблизительно для 140 000 человек.

Размеры были продиктованы экономикой: среда должна была быть достаточно небольшой, дабы снизить транспортные расходы и время на движение, и достаточно большой, чтобы эффективно содержать необходимую промышленную базу.

Во вращающемся торе, а тем более в сфере, мест, где будет стабильная гравитация в 1g не так уж и много. С одной стороны, сфера имеет самое оптимальное отношение площади к объёму, с другой стороны, если использовать только часть внутренней поверхности сферы вдоль экватора, то большая часть площадей и использованных для её построения конструкционных материалов будет не задействована. У тора с этим уже получше.

В качестве альтернативы тороидальным и сферическим колониям могут выступить цилиндрические. В книге «Высокий Рубеж» Джерард О'Нил предложил сделать «космическое поселение» цилиндрическим. В своей книге О'Нил описал колонизацию космоса в XXI веке, используя лунные материалы. «Цилиндр О’Нила», также известный как Остров III, представлял собой два очень больших, вращающихся в противоположных направлениях, цилиндра, каждый по 5 миль (8 километров) в диаметре и 20 миль (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 имеет шесть равных участков полос по длине цилиндра; три окна, три «страны». Более того, внешние сельскохозяйственные кольца, 10 миль (16 км) радиусом, вращаются с разными скоростями в целях ведения разных видов сельского хозяйства. Промышленный блок расположен в середине (позади блока спутниковых антенн), где минимальная гравитация или полная невесомость способствует проведению некоторых операций для производства ряда материалов.

Чтобы избавиться от колоссальных расходов на транспортировку материалов для сборки с Земли, эти станции должны были изготавливаться с помощью материалов, транспортируемых не с Земли, а из космоса. Например, добываться на Луне, где сила тяжести намного меньше, и забрасываться на орбиту электромагнитной катапультой.

Конечно, наличие огромных окон существенно снижает безопасность и в два раза уменьшает площади. Но при этом такая конструкция гарантируют «пассивное» прохождение света от Солнца, не надо тратиться на провода, преобразование солнечной энергии в электричество и т.п. И всё же представьте себе размеры этих «окошек» и толщину стёкол.

Мне всё же кажется, что цилиндры должны быть глухими, а освещение надо делать изнутри, доставляя солнечный свет снаружи по световодам. На всякий аварийный случай можно сделать несколько «иллюминаторов» для прохождения естественного света, добавить аварийное электрическое освещение, но делать окна в половину площади – это кажется и нерациональным и небезопасным. И тогда изнутри это должно выглядеть как-то так:

В фантастических фильмах подобные колонии обыгрываются очень часто.

Остров III один в один встречается в аниме-сериале Mobile Suit Gundam.

В фильме Интерстеллар станция Купер возле Сатурна выглядит как один из цилиндров О'Нила.

В сериале «Экспансия» корабль мормонов Науву (он же Бегемот, он же станция Медина) тоже является хорошим представителем цилиндрических поселений.

А вот, например, «одинарная» цилиндрическая станция Вавилон-5.

и её «вид» изнутри:

В общем, человечество приняло идею космических поселений довольно благосклонно и продолжает её обдумывать и развивать. Пусть это пока фантастические фильмы и произведения, но, как мы знаем, многие реальные вещи были предсказаны или даже придуманы писателями-фантастами прошлого, а сейчас вполне себе прекрасно существуют.

Некоторыми учёными и энтузиастами помимо тороидальных, сферических и цилиндрических вариантов предлагались и другие. Например, такой вариант, когда несколько купольных поселений соединены между собой тросами и совместно вращаются, как бы располагаясь на ободе огромного колеса. Плоскость этого колеса перпендикулярна солнечным лучам, а внутри находятся поля солнечных батарей. Над куполами дополнительно располагаются зеркала, позволяющие регулировать поступление солнечного света.

Человек по своей природе, находясь на сегодняшнем этапе своего эволюционного развития в своей естественной среде обитания, довольно хорошо адаптирован к жизни на Земле, и при этом обладает достаточно большой степенью приспосабливаемости и преобразования своей среды обитания под личные нужды. Но вот к глобальным преобразованиям условий среды обитания целой планеты человек ещё не готов. Мы сейчас можем лишь обкатывать некоторые подобные технологии, проводя опыты и исследования на существующих космических станциях.

При освоении же массивных космических тел – каменистых планет Солнечной системы и спутников планет-гигантов – человечество столкнётся с целым рядом трудностей неразрешимого характера, связанных с гравитацией, температурным режимом и отсутствием защитной магнитосферы. Полноценное терраформирование пока лишь остаётся мечтой фантастов. Поэтому создание небольших, по сравнению с размерами планет, поселений в космосе с нужными условиями – это наиболее подходящий вариант.

Почему идея создания колоний в космосе имеет преимущество над колонизацией планет? Давайте рассмотрим некоторые потенциальные для колонизации места.

• Луна. На Луне сравнительно жарко на дневной стороне и слишком холодно на ночной, нет атмосферы, привычного суточного ритма, сила тяжести относительно малая, нет магнитного поля, достаточного для защиты от радиации. И хотя эти условия также преодолимы для перспективных технологий, пониженная сила тяжести ставит барьер на пути заселения Луны.
• Венера. Сила тяжести на Венере близка к силе тяжести на Земле и также довольно комфортна для людей. Однако слишком высокая средняя температура на поверхности, сверхвысокое атмосферное давление, а также отсутствие привычного суточного ритма и магнитного поля, достаточного для защиты от радиации (что компенсируется крайне плотной венерианской атмосферой) пока делают освоение Венеры крайне затруднительным. Практически полное отсутствие воды, агрессивный состав атмосферы и всякие кислотные дожди тоже не сильно доставляют. Есть, правда, планы использования парящих в атмосфере больших дирижаблей, но тоже сильно сомнительно, разве что для небольшой научной станции.
• Меркурий. На Меркурии с температурой всё ещё хуже, чем на Луне, нет атмосферы, привычного суточного ритма. Это не препятствие для перспективных космических технологий, однако пониженная сила тяжести (в сравнении с земной) является основным сдерживающим фактором для колонизации Меркурия.
• Марс. С виду самый «подходящий» кандидат для колонизации. На Марсе в достатке вода – это огромный плюс. Но минусы перевешивают: на Марсе достаточно холодно, атмосфера довольно разреженная и состоит в основном из углекислого газа, сила тяжести составляет всего 0,38 земной, слабое магнитное поле, недостаточно защищающее от космической радиации и выдувания атмосферы. Есть некоторые признаки того, что когда-то давно на Марсе существовали, а может быть даже и до сих пор существуют, примитивные формы жизни типа архей и бактерий. Современные и перспективные технологии позволяют заселить Марс, но, как и в случае с Луной и Меркурием, на Марсе остается нерешаемая в настоящее время проблема пониженной гравитации. (Точнее, марсианская гравитация может оказаться вполне комфортной лишь для части людей.)
• Астероиды, малые планеты, спутники планет-гигантов. Существует много различных планов по возможному освоению подобных объектов Солнечной системы, но ввиду большой дальности от Земли это всё будет актуально уже на следующих этапах – после построения промежуточных баз на Луне, Марсе и в точках Лагранжа.

Посадка на любую планету и последующий ракетный старт с неё требуют больших энергетических, а значит, и экономических затрат. Поэтому делать постоянную базу на планете с высокой силой тяжести невыгодно, а с малой – как минимум некомфортно, а как максимум - просто невозможно. Колония в космосе избавляет от тяжёлого выбора: к ней и подлететь легко (не мешает атмосфера), и стартовать (не мешает сила тяжести), и нужная для комфортного существования людей сила тяжести легко достигается вращением станции за счёт центробежной силы.

Теоретически можно повысить или понизить температуру на планете, изменить её атмосферу, только пока не особо понятно, как это сделать быстро и в таких глобальных масштабах. Также пока технологически невозможно решить проблему, создаваемую пониженной гравитацией на Марсе, Луне или Меркурии, или проблемы из-за слишком медленного вращения Венеры вокруг своей оси. К тому же у этих планет отсутствует достаточно мощная магнитосфера, которая защищала бы от радиации. Жить же в условиях высокой космической радиации люди пока не научились, поэтому по-любому придётся закапываться в грунт или каким-то образом строить противорадиационную защиту.

В связи со всем вышеперечисленным представляется наиболее целесообразным строить именно космические колонии в открытом космосе (в том числе на орбитах указанных выше планет), используя материал астероидов, спутников и малых планет. Доставлять металлоконструкции с Земли крайне дорого, а вот организовать автоматизированную добычу металлов и производство нужных конструкций на астероидах или Луне, и потом просто «выстреливать» ими в нужном направлении магнитной катапультой (в отсутствии атмосферы и при малой силе тяжести), а на месте сборки станции (на орбите или в точке Лагранжа) ловить – это уже вполне возможно и недорого.

Основной минус расположения долгосрочных поселений в открытом космосе – пока непонятно, как защититься от высокоэнергетических излучений и разного рода метеоритов. Пассивная защита (толстые стенки из специальных материалов или толстый же слой воды, которую к тому же надо будет как-то очищать) – это будет слишком тяжело и потому дорого, но может быть будут подвижки в плане активной защиты в виде генерирования собственных магнитных полей, защищающих от радиации. Также идут подвижки в разработке различных самозатягивающихся материалов, которые помогут защититься от микрометеоритов.

Столкновения с орбитальным мусором можно предсказать и убирать его заранее, а вот вопрос с внешними метеоритами остаётся пока открытым. Как и множество других вопросов, которые возникнут в процессе строительства и эксплуатации такого грандиозного сооружения. Но если не начать идти к этой цели сейчас – «фантастическое будущее» не наступит. Надо пробовать.

В общем, я считаю, что наиболее перспективное будущее именно за большими космическими станциями, летающими на орбитах вокруг планет или висящих в точках Лагранжа, а не за закопанными в грунте городами с куполами. Космические станции-города около безжизненных планет могут стать «уютными жилыми пригородами», а сами эти планеты – промышленным «центром города», куда жители станций будут летать иногда на работу – наблюдать за добычей полезных ископаемых, проводить какие-то опыты, починять поломанную технику и т.п.

В таких замкнутых колониях в принципе можно добиться полного самообеспечения: на них или на планеты, спутниками которых они станут, можно переместить опасные и вредные производства и установить отражающие зеркала для накопления солнечной энергии.

Благодаря наличию подобных космических поселений на случай глобальных катастроф планетарного масштаба у человечества, находящегося на Земле, появляется шанс сделать свою «резервную копию жизни», своеобразные ковчеги, островки жизни, оазисы в бесконечном неживом пространстве.

Резюмируя всё вышесказанное, космические колонии – вполне реальная на настоящий день вещь, которую можно построить. «Главное – нáчать», как говорил один известный политический персонаж. И думать про это должны начинать не витающие в облаках физики-теоретики, а вполне земные практики – строители, производственники, добычники, энергетики, да даже риэлторы. Когда у простого обывателя появится выбор – за одни и те же деньги купить однушку в Новой Москве или фазенду на берегу искусственного моря в космической колонии около Луны – вот тогда всё реально и закрутится.

• https://space.nss.org/settlement/nasa/70sArtHiRes/70sArt/art.html – Space Colony Art from the 1970s
• Космические_города-бублики
• Космическое_поселение
• Сфера_Бернала
• Стэнфордский_тор
• Колония_О’Нила
• Колонизация_космоса
• Колонизация_астероидов
• Промышленное_освоение_астероидов
• http://space.alglobus.net/index.html – Поселение в Свободном пространстве (англ.)

• https://t.me/moonrainb0w – Канал в Телеграме, в т.ч. о колонизации Солнечной системы, островах О'Нила

• https://eponym.ru/Article/65 – Где припарковаться в космосе или что такое точки Лагранжа?
• https://dzen.ru/a/ZiZuv6VdQClE3usV – Об особенностях эксплуатации систем с искусственной гравитацией
• https://habr.com/ru/articles/663054/ – Фронтиры в защите от космической радиации