Новости науки

6 989 подписчиков

Свежие комментарии

  • Виктор Муравьев
    И что? Кроме бормочущего всякие страхи мужика ничего не видно. Десять минут жизни потерял, глядя на эту галиматью. Ка...На Земле появилис...
  • jursemmailru Пенхасов ЮС
    За то, что Рогозин собрался лететь на Луну – я ЗА, и не только руками; но отправить его надо без обратно...Как Рогозин собра...
  • Павел К
    А чё ж ты раньше не говорил-то? Сколько упущено. Но теперь, спасибо тебе, мы по другому заживем. :):)На грани

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

«Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели», – писал Константин Циолковский еще в начале ХХ века. Сегодня ученые все чаще говорят о том, что рано или поздно людям придется покинуть Землю и отправиться на поиски нового дома. Многие уверены, что искать его следует у других звезд, до которых мы будем добираться тысячи, а то и десятки тысяч лет. Рассказываем об одной из попыток решить эту проблему – о гипотетическом проекте «корабля поколений».
future-human-evolution-and-the-bussard-interstellar-ramjet-1960

Не спать!

В фантастических книгах и фильмах экипажи межзвездных кораблей обычно погружаются на время полета в анабиоз. Удобно: долгий путь для них пролетает как одно мгновение. Однако, если примерить эту ситуацию к реальности, сразу возникают несостыковки. Что случится с космическим судном за годы полета? Сможет ли оно само себя чинить и восстанавливать при необходимости, смогут ли системы безопасности учесть все факторы риска и обойти препятствия? Что, если технологии, обеспечивающие анабиоз космонавтов, откажут, как в недавнем фильме «Пассажиры», герои которого проснулись на 90 лет раньше назначенного срока? Сколько бесценных научных данных никогда не получит человечество, если отказаться от экспериментов во время полета в пользу сна?

 

Возможно, подобные вопросы и заставили людей задуматься о том, как преодолеть безграничные космические просторы, не засыпая. Можно применить «вахтовый метод»: например, каждый год несколько космонавтов пробуждаются и берут на себя контроль за состоянием корабля. Через год их сменяют следующие. Но что если к моменту отправки экспедиции человечество так и не найдет способ безопасного погружения в долгий сон-анабиоз? Ведь пока эти эксперименты находятся лишь на начальной стадии. 

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

Кадр из фильма «Пандорум» / ©kino-teatr

Результатом таких дискуссий стали проекты «кораблей поколений». Это судно для межзвездных путешествий со скоростью, значительно меньшей, чем скорость света. Такой корабль должен будет провести в полете тысячи лет. За это время первые колонисты состарятся и умрут, их место займут потомки. Этот сценарий многократно повторится, прежде чем экспедиция прибудет в пункт назначения. 

Один из самых известных проектов кораблей поколений был создан на основе «Ориона». Этот «взрыволет» (ядерно-импульсный корабль) разрабатывали в США в середине ХХ века. Двигаться он должен был за счет серии ядерных зарядов, приводимых в действие на небольшом расстоянии позади корабля. Часть продуктов взрыва ударяла в «хвост» космического судна, где массивная плита-отражатель принимала энергию на себя и с помощью системы амортизаторов передавала ее кораблю. Масштабы проекта Energy Limited Orion Starship поражают воображение: диаметр корабля составлял 20 километров. По расчетам разработчиков, это судно могло бы добраться до ближайшей к нам звездной системы Альфа Центавра за 1330 лет. Размеры судна вполне позволяли разместить на нем самый настоящий корабль поколений – по сути, небольшой космический город. Однако NASA сделало ставку на более дешевые проекты, и «Орион» так и остался теорией. 

Однако, если бы все пошло по-другому, смогли бы мы отправить первых колонистов в космос уже сегодня? Увы, нет. Концепция корабля поколений решает многие теоретические проблемы долгих космических перелетов – и создает ряд новых проблем. Узнаем, с какими трудностями могут столкнуться корабли поколений и что нужно учесть, отправляясь к далеким звездам.

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

Energy Limited Orion Starship / ©NASA

Куда летим?

Сторонники космической колонизации делятся на две группы: кто-то создает проекты терраформирования Марса, а кто-то уверен, что найти новую Землю можно лишь у других звезд. Исследователи экзопланет подтверждают, что за пределами Солнечной системы можно отыскать подходящее для жизни космическое тело, хотя это и непросто. 

Для удачного переселения важно, чтобы найденная планета во многом напоминала Землю. Нужны приемлемая для земной жизни температура и вода в жидком состоянии. Звезда, вокруг которой вращается планета, должна вести себя как можно «спокойнее» – частые и интенсивные вспышки вызывают резкие скачки температуры. Поток заряженных частиц от звезды может повредить атмосферу планеты, а со временем «сдуть» практически всю газовую оболочку. Возможно, в Солнечной системе так произошло с Меркурием. 

Участок пространства вокруг звезды, в котором на планетах может быть жидкая вода, называют зоной обитаемости. Это некая «средняя» зона планетной системы. Планеты в ней расположены не слишком далеко от звезды, они получают достаточно энергии для того, чтобы вода не замерзала. Но при этом они не должны находиться и слишком близко к звезде – вода может испариться. В англоязычной литературе этот участок называется «зона Златовласки» в честь сказки о девочке, попавшей в дом к трем медведям. Пока зверей нет дома, она решает немного поспать и поочередно ложится на три кровати: одна слишком жесткая, другая чересчур мягкая, а третья – в самый раз. 

Казалось бы, мы тоже можем просто «перебрать» все планеты в определенной системе и выбрать подходящую. Увы, нам подойдут далеко не все планеты в зоне обитаемости: на них возможна жидкая вода, но все остальные условия на поверхности такой планеты могут оказаться невыносимы для землян. 

Летом 2016 года астрофизики Европейской южной обсерватории объявили об открытии ближайшей к Земле экзопланеты. Она вращается вокруг Проксимы Центавра – ближайшей к Солнечной системе звезды – и теперь носит название Проксима Центавра b. По оценкам ученых, она располагается в зоне обитаемости своего светила и вполне может обладать жидкой водой. Ни одна из известных климатических моделей этому не противоречит. Но называть Проксиму Центавра b нашим новым домом еще рано. Она находится куда ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, и эффекты, вызванные таким соседством, могут оказаться непредсказуемыми. 

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

 Потенциально обитаемые экзопланеты. Планеты системы TRAPPIST-1 еще не включены в список / ©Arecibo Observatory

Свежее открытие начала 2017 года – семь экзопланет у холодного красного карлика TRAPPIST-1 в созвездии Водолея. Все планеты по размерам схожи с Землей. Гипотетически на всех семи планетах может быть жидкая вода, но с наибольшей вероятностью ее можно найти на планетах TRAPPIST-1e, f, и g. Астрофизики предполагают, что новые телескопы – например, Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп, который начали строить в Чили в 2014 году, – смогут точно показать, есть ли вода на этих планетах. 

Главное, что даже ближайшая к Земле экзопланета все равно находится на огромном расстоянии от нас. До нее 4,24 световых года – чтобы пройти этот путь, существующим космическим аппаратам даже без учета времени на разгон и торможение потребуются десятки тысяч лет. Для сравнения, до планет вокруг TRAPPIST-1 около 40 световых лет. Технологии развиваются, но расстояния в космосе по-прежнему кажутся бесконечными. Это заставляет вновь и вновь задумываться о таких проектах, как корабль поколений.

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

Так могла бы выглядеть поверхность планеты TRAPPIST-1f (иллюстрация NASA) / ©NASA

Двигатели будущего

Но, может быть, все-таки есть способ пройти эти расстояния быстрее? Возможностей существующих космических аппаратов явно недостаточно, но новые разработки идут постоянно. Один из самых впечатляющих проектов – солнечный (фотонный) парус. Он использует давление света на зеркальную поверхность. В Солнечной системе парус может работать за счет солнечного света, и такая технология уже существует. В 2010 году в космос отправился японский аппарат IKAROS (англ. Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). Он снабжен квадратным парусом со стороной 14 метров, состоящим из четырех «лепестков». На них закреплены солнечные батареи. Задача IKAROS заключалась в том, чтобы успешно раскрыть солнечный парус и двигаться с его помощью, и с этим японский аппарат справился в полной мере. Однако давление солнечного света сравнительно небольшое, поэтому для выхода за пределы нашей системы придется использовать иные источники. Существуют проекты разгона такого устройства с помощью лазера. У солнечного паруса есть неоспоримые плюсы: он не требует топлива и сам по себе может быть сравнительно легким. Однако пока для запуска межзвездного парусника у человечества недостаточно ресурсов. Потребуются очень мощные лазерные установки высокой точности либо принципиально новое решение этой проблемы. 

Другой уже существующий перспективный двигатель – ионный. Его рабочим телом служит ионизированный инертный газ (аргон, ксенон) или ртуть. Ионизированное вещество разгоняется в электростатическом поле до очень высоких скоростей. Система извлечения положительных ионов «вытягивает» их из вещества и выбрасывает в пространство, обеспечивая движение. Ионные двигатели использовались в аппаратах Hayabusa (в 2010 году доставил на Землю образцы грунта астероида Итокава) и Dawn (запущен в 2007 году для исследования Весты и Цереры).  Такой двигатель достигает большого удельного импульса и малого расхода топлива. Недостаток современных ионных двигателей – крайне небольшая тяга, поэтому такой корабль не сможет стартовать с Земли, строить его придется за пределами планеты. 

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

Аппарат Dawn (компьютерная графика) / ©NASA

Еще одна интересная концепция – межзвездный прямоточный двигатель Бассарда. Корабль, оснащенный таким двигателем, захватывает вещество межзвездной среды (включая водород) с помощью «воронки» мощного электромагнитного поля. Диаметр воронки должен составлять тысячи, а то и десятки тысяч километров. Собранный водород используется в термоядерном ракетном двигателе корабля. Это обеспечивает топливную автономность судна. 

Увы, у такого двигателя тоже есть немало технических ограничений. Его скорость не так уж высока, потому что при улавливании каждого атома водорода корабль теряет определенный импульс, и компенсировать это за счет тяги можно только на сравнительно небольшой скорости. Чтобы преодолеть это ограничение, нужно найти способы как можно более полного использования захваченных атомов. 

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

Так мог бы выглядеть корабль, оснащенный двигателем Бассарда (иллюстрация Joe Bergeron) / ©Joe Bergeron

Общество на борту

Сколько людей могут отправиться в межзвездную экспедицию? Оценки экспертов отличаются в разы. И это несмотря на то, что большинство из них оптимистично оценивают продолжительность полета в сотни, а не в тысячи лет. В 2002 году антрополог Джон Мур из Университета Флориды предположил, что для создания стабильной популяции для полета продолжительностью 200 лет достаточно населения небольшой деревни – около 160 человек. При этом жестокой «социальной инженерии», как в антиутопиях, не потребуется, основой космической колонии станет привычная нам семья. У каждого будет около десятка подходящих партнеров для брака. Даже сегодня – при, казалось бы, бесконечном выборе – большинство людей не превышает этого числа партнеров, если говорить о долгих отношениях. 

Однако в таких небольших популяциях существует опасность сокращения генетического разнообразия. Оно может сокращаться и постепенно, и неожиданно – например, в случае опасной инфекции экспедиция столкнется с «эффектом бутылочного горлышка», при котором численность популяции резко падает, а затем понемногу восстанавливается. Генофонд беднеет, и это отражается на потомках тех, кто пережил катастрофу. В животном мире этот эффект повлиял на генетическое разнообразие гепардов – предполагается, что когда-то смогли уцелеть всего несколько особей. Вид оказался на грани вымирания, сейчас в дикой природе по всему миру живут всего около 7000 гепардов. Из-за долгого близкородственного скрещивания они не отличаются стойкостью к заболеваниям, а в дикой природе большая часть детенышей не доживает до года.  Еще одна угроза для колонистов – «эффект основателя». Он возникает, когда новую территорию заселяет небольшое количество представителей определенного вида. Они не сохраняют весь генофонд исходной популяции, поэтому тоже могут столкнуться с проблемой постепенного сокращения генетического разнообразия. 

Антрополог Кэмерон Смит из Портлендского государственного университета в 2013 году подсчитал: чтобы справляться с этими угрозами на протяжении 150 лет полета, нужны десятки тысяч людей. По его оценкам, стабильной популяции нужны около 40 000 человек, из них как минимум 23 500 – детородного возраста. Впрочем, колония может быть и меньше, если в ее распоряжении достаточно большой банк эмбрионов.

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

Кадр из фильма «Пандорум» / ©kino-teatr

Космос в подвале, космос в пустыне

Конечно, все эти важные вопросы надолго останутся лишь теоретическими. Сегодняшние технологии не в состоянии отправить человека к соседним звездам, и это еще долго будет нам не под силу. Но исследования, в перспективе способные приблизить космическое будущее, в том числе и корабли поколений, идут уже несколько десятков лет. 

Один из самых известных типов таких экспериментов – создание замкнутых экосистем. Пассажиры корабля поколений проживут в нем тысячи лет, поэтому колония должна быть полностью самодостаточна: помощи ждать неоткуда. Пригодится этот опыт и при освоении новой планеты. Проекты по созданию замкнутых систем начались в 1970-х, вскоре после высадки человека на Луну. 

В СССР в 1968–1972 годах был построен «БИОС-3». Ученые Красноярского Академгородка создали в подвале Института биофизики герметичное помещение размером 14×9×2.5 м и объемом около 315 м³, состоящее из четырех отсеков. «Каюты экипажа» и оборудование занимали всего один из них, в остальных работали камеры-фитотроны для выращивания растений и культиваторы микроводорослей. Использовались особые сорта: например, специально выведенная карликовая пшеница с укороченным стеблем. В «БИОС-3» провели 10 экспериментов, самый долгий длился 180 дней. Участникам удалось создать полностью замкнутую систему потребления газа и воды. Питанием они обеспечивали себя на 80%. 

В начале 1990-х прошел, пожалуй, самый известный эксперимент по созданию закрытой системы – «Биосфера-2». Комплекс из нескольких зданий и оранжерей на площади около 1,5 га возвели в Аризоне. Внутри смоделировали несколько природных зон: тропические заросли, саванна, мангровые леса и даже океан. В «Биосфере-2» обитали около 3000 видов растений и животных. В команду проекта вошли восемь человек – поровну мужчин и женщин. Они поддерживали работу техники, обеспечивающей циркуляцию воды и воздуха, занимались натуральным хозяйством и проводили различные опыты. 

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

 Комплекс «Биосфера-2» / ©Википедия

Первый этап эксперимента длился два года. За год «колонисты» смогли наладить производство продуктов: в первые месяцы люди постоянно ощущали голод. Позже они адаптировались к новому рациону, и многие показатели здоровья участников по итогам эксперимента улучшились, например, снизилось давление. Самой большой проблемой стало падение уровня кислорода. Участница проекта Джейн Пойнтер вспоминает: «Когда теряешь много кислорода, – а у нас его уровень значительно упал, он опустился с 21% до 14,2%, – чувствуешь себя ужасно. <…> Ты просыпаешься, хватая ртом воздух, потому что состав крови меняется. Во сне ты перестаешь дышать, потом наконец вдыхаешь и просыпаешься. Это ужасно раздражает. А снаружи все были уверены, что мы умираем». 

Считается, что уровень кислорода начал падать, потому что микроорганизмы «Биосферы-2» размножались активнее, чем ожидалось. То же происходило и с насекомыми. Уничтожать их с помощью ядохимикатов было запрещено: это могло нарушить баланс искусственной биосферы. В итоге организаторам проекта пришлось пойти на фальсификацию данных: внутрь системы закачали недостающий кислород. Когда об этом стало известно, на участников эксперимента обрушилась критика. Но уровень кислорода по-прежнему падал, даже несмотря на поставки газа снаружи, и ровно через два года после начала первый этап проекта прекратили. В целом эксперимент был признан неудачным. Но не стоит умалять значение таких экспериментов. Во-первых, они показывают множество «подводных камней» в расчетах, помогают создавать более реалистичные модели. Во-вторых, эти проекты напоминают: для колонизации космоса нужны не только мощные двигатели. Чтобы когда-нибудь добраться до других планет, человечеству потребуются самые разнообразные знания и умения.

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

Участники эксперимента «БИОС-3» с собранным урожаем пшеницы / ©ibp.ru/labs/mc.php

Бунт на корабле?

Участников тысячелетних экспедиций ожидает множество трудностей. Часть проблем связана с окружающей средой: например, разрушительное воздействие космической радиации. Она может способствовать развитию рака, поражению костного мозга, нарушениям в иммунной системе. Поэтому, отправляясь в космос, необходимо как следует защитить себя. Понадобятся системы прогнозирования радиационной обстановки, учитывающие множество параметров. Основная задача – определить меру вреда для здоровья и постоянно соблюдать баланс. Колонистам неизбежно придется пойти на риск, а конструкторам кораблей – найти способ уместить на корабле защитные элементы, не жертвуя полезной нагрузкой. 

Не меньшую опасность представляют, как ни странно, морально-этические сложности. В космос отправятся люди, искренне преданные своему делу, верящие в необходимость покорить другие планеты. Но смогут ли их потомки сохранить эту веру и захотят ли? Что, если представители «промежуточных» поколений однажды почувствуют себя запертыми в высокотехнологичной космической тюрьме? Этика должна найти ответ на эти вопросы, иначе проблем не избежать. 

Межзвездный ковчег: проблемы «спасителя человечества»

Кадр из фильма «Пандорум» / ©kino-teatr

Последствия непредсказуемы: от пессимизма и апатии экипажа до открытых конфликтов. В замкнутом пространстве корабля непонимание отцов и детей или идеологические споры приобретут катастрофический масштаб. Это подтверждает история той же «Биосферы-2». Когда стало ясно, что уровень кислорода неумолимо падает, экспериментаторы разделились на две группы. Одни хотели немедленно покинуть «Биосферу», другие – во что бы то ни стало довести проект до конца. Рассказывают, что конфликт разгорелся до такой степени, что многие бывшие участники эксперимента до сих пор не разговаривают друг с другом. А ведь они провели в замкнутой системе всего два года! 

Итак, пока человечество только начинает путь к звездам. Потребуется еще множество исследований, чтобы создать жизнеспособные проекты самодостаточной космической колонии и надежного межзвездного корабля. 

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх