„Planeta jest kolebką umysłu, ale nie można w niej żyć wiecznie” - pisał Konstantin Ciołkowski na początku XX wieku. Dziś naukowcy coraz częściej mówią o tym, że wcześniej czy później ludzie będą musieli opuścić Ziemię i udać się w poszukiwaniu nowego domu.
Nie śpij
W książkach i filmach science fiction załogi statków międzygwiezdnych są zwykle zanurzone w zawieszonej animacji podczas lotu. Wygodne: dla nich długa droga leci błyskawicznie. Jeśli jednak zmierzysz tę sytuację z rzeczywistością, natychmiast pojawią się niespójności. Co stanie się ze statkiem kosmicznym przez lata lotu? Czy będzie w stanie sam się naprawiać i przywracać w razie potrzeby, czy systemy bezpieczeństwa będą w stanie uwzględnić wszystkie czynniki ryzyka i ominąć przeszkody? A co, jeśli zawiodą technologie zapewniające astronautom anabiozę, jak w niedawnym filmie „Pasażerowie”, którego bohaterowie obudzili się 90 lat przed terminem? Ile bezcennych danych naukowych ludzkość nigdy nie otrzyma, jeśli porzucimy eksperymenty lotnicze na rzecz snu?
Być może takie pytania skłoniły ludzi do zastanowienia się, jak pokonać bezkresną przestrzeń bez zasypiania. Możesz zastosować „metodę rotacyjną”: na przykład co roku budzi się kilku astronautów i przejmuje kontrolę nad stanem statku kosmicznego. Rok później zostają zastąpieni następującymi. Ale co, jeśli do czasu wysłania ekspedycji ludzkość nie znalazła sposobu, aby bezpiecznie zanurzyć się w długą, zawieszoną w śnie animacji? Wszakże na razie te eksperymenty są dopiero na wczesnym etapie.
Kadr z filmu Pandorum.
Efektem takich dyskusji były projekty „statków pokoleń”. Jest to statek do podróży międzygwiazdowych z prędkością znacznie mniejszą niż prędkość światła. Taki statek musiałby latać tysiące lat. W tym czasie pierwsi koloniści zestarzeją się i umrą, ich miejsce zajmą ich potomkowie. Ten scenariusz powtórzy się wielokrotnie, zanim wyprawa dotrze do celu.
Jeden z najbardziej znanych projektów statków pokoleniowych został oparty na Orionie. Ten „wybuchający” (statek z impulsem jądrowym) został opracowany w Stanach Zjednoczonych w połowie XX wieku. Miał się ruszyć z powodu serii ładunków jądrowych, aktywowanych w niewielkiej odległości za statkiem. Część produktów eksplozji uderzyła w „ogon” statku kosmicznego, gdzie masywna płyta reflektora zaabsorbowała energię i za pomocą systemu amortyzatorów przekazała ją do statku kosmicznego. Skala projektu Energy Limited Orion Starship jest niesamowita: średnica statku wynosiła 20 kilometrów. Według obliczeń twórców statek ten mógłby dotrzeć do najbliższego układu gwiezdnego Alpha Centauri za 1330 lat. Wymiary statku były wystarczające, aby pomieścić prawdziwy statek pokoleń - w rzeczywistości małe kosmiczne miasto. Jednak NASA postawiła na tańsze projekty, a Orion pozostał teorią.
Film promocyjny:
Gdyby jednak sprawy potoczyły się inaczej, czy moglibyśmy dziś wysłać w kosmos pierwszych kolonistów? Niestety nie. Koncepcja statku kosmicznego pokoleniowego rozwiązuje wiele teoretycznych problemów związanych z długimi podróżami kosmicznymi - i stwarza szereg nowych problemów. Dowiemy się, jakie trudności mogą napotkać statki pokoleń i co należy wziąć pod uwagę, udając się do odległych gwiazd.
Statek kosmiczny Orion z ograniczoną energią.
Gdzie lecimy?
Zwolennicy kolonizacji kosmosu dzielą się na dwie grupy: ktoś tworzy projekty terraformowania Marsa, a ktoś jest pewien, że znalezienie nowej Ziemi można znaleźć tylko w innych gwiazdach. Badacze z egzoplanet potwierdzają, że możliwe jest znalezienie ciała kosmicznego nadającego się do życia poza Układem Słonecznym, chociaż nie jest to łatwe.
Dla pomyślnego przesiedlenia ważne jest, aby znaleziona planeta pod wieloma względami przypominała Ziemię. Potrzebujemy temperatury akceptowalnej dla życia ziemskiego i wody w stanie ciekłym. Gwiazda, wokół której obraca się planeta, powinna zachowywać się jak najbardziej „spokojnie” - częste i intensywne rozbłyski powodują gwałtowne skoki temperatury. Przepływ naładowanych cząstek z gwiazdy może uszkodzić atmosferę planety iz czasem „zdmuchnąć” prawie całą otoczkę gazową. Być może w Układzie Słonecznym stało się to z Merkurym.
Obszar przestrzeni wokół gwiazdy, w którym planety mogą mieć wodę w stanie ciekłym, nazywany jest strefą nadającą się do zamieszkania. Jest to rodzaj „środkowej” strefy układu planetarnego. Znajdujące się w nim planety nie są zbyt daleko od gwiazdy, otrzymują wystarczającą ilość energii, aby woda nie zamarzła. Ale jednocześnie nie powinny znajdować się zbyt blisko gwiazdy - woda może wyparować. W literaturze anglojęzycznej strona ta nazywana jest „Strefą Złotowłosej” na cześć opowieści o dziewczynce, która wpadła do domu z trzema niedźwiedziami. Podczas gdy zwierząt nie ma w domu, postanawia trochę się przespać i na przemian kładzie się na trzech łóżkach: jedno jest za twarde, drugie za miękkie, a trzecie jest w sam raz.
Wydawałoby się, że my również możemy po prostu „posortować” wszystkie planety w danym układzie i wybrać odpowiedni. Niestety, nie wszystkie planety w strefie nadającej się do zamieszkania są dla nas odpowiednie: możliwa jest na nich woda w stanie ciekłym, ale wszystkie inne warunki na powierzchni takiej planety mogą być nie do zniesienia dla Ziemian.
Latem 2016 roku astrofizycy z Europejskiego Obserwatorium Południowego ogłosili odkrycie najbliższej Ziemi egzoplanety. Krąży wokół Proxima Centauri, najbliższej gwiazdy Układu Słonecznego, a teraz nazywa się Proxima Centauri b. Według naukowców znajduje się on w ekosferze swojej gwiazdy i może mieć płynną wodę. Żaden ze znanych modeli klimatycznych nie zaprzecza temu. Ale jest za wcześnie, aby nazwać Proxima Centauri b naszym nowym domem. Znajduje się znacznie bliżej swojej gwiazdy niż Ziemia do Słońca, a skutki spowodowane tą bliskością mogą być nieprzewidywalne.
Egzoplanety potencjalnie nadające się do zamieszkania. Planety TRAPPIST-1 nie są jeszcze wymienione.
Nowe odkrycie z początku 2017 roku - siedem egzoplanet w pobliżu chłodnego czerwonego karła TRAPPIST-1 w konstelacji Wodnika. Wszystkie planety mają podobne rozmiary do Ziemi. Hipotetycznie woda w stanie ciekłym może znajdować się na wszystkich siedmiu planetach, ale najprawdopodobniej występuje na planetach TRAPPIST-1e, f i g. Astrofizycy spekulują, że nowe teleskopy - takie jak European Extremely Large Telescope, który rozpoczął budowę w Chile w 2014 roku - będą w stanie z całą pewnością wykazać, czy na tych planetach jest woda.
Najważniejsze jest to, że nawet najbliższa Ziemi egzoplaneta jest nadal w dużej odległości od nas. Znajduje się 4,24 lat świetlnych stąd - pokonanie tej ścieżki przez istniejący statek kosmiczny, nawet bez uwzględnienia czasu na przyspieszanie i zwalnianie, zajmie dziesiątki tysięcy lat. Dla porównania, planety wokół TRAPPIST-1 są oddalone o około 40 lat świetlnych. Postęp technologiczny, ale odległości w kosmosie wciąż wydają się nieskończone. To sprawia, że ciągle myślimy o projektach, takich jak statek pokoleń.
Tak może wyglądać powierzchnia planety TRAPPIST-1f (ilustracja NASA).
Silniki przyszłości
Ale może jest jeszcze sposób na szybsze pokonanie tych dystansów? Możliwości istniejących statków kosmicznych są oczywiście niewystarczające, ale trwają nowe prace. Jednym z najbardziej imponujących projektów jest żagiel słoneczny (fotoniczny). Wykorzystuje ciśnienie światła na lustrzanej powierzchni. W Układzie Słonecznym żagiel może być zasilany światłem słonecznym, a ta technologia już istnieje. W 2010 roku japoński statek kosmiczny IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) poleciał w kosmos. Wyposażony jest w kwadratowy żagiel o boku 14 metrów, składający się z czterech płatków. Do nich przymocowane są panele słoneczne. Zadaniem IKAROS było pomyślne otwarcie żagla słonecznego i poruszanie się z jego pomocą, a japońskie urządzenie poradziło sobie z tym w pełni. Jednak ciśnienie światła słonecznego jest stosunkowo niewielkie,dlatego, aby wyjść poza nasz system, będziemy musieli skorzystać z innych źródeł. Istnieją projekty do podkręcania takiego urządzenia za pomocą lasera. Żagiel słoneczny ma niezaprzeczalne zalety: nie wymaga paliwa i sam w sobie może być stosunkowo lekki. Jednak ludzkość nie ma wystarczających zasobów, aby wystrzelić międzygwiezdny żaglowiec. Niezbędne będą bardzo wydajne, precyzyjne systemy laserowe lub całkowicie nowe rozwiązanie tego problemu. Niezbędne będą bardzo wydajne, precyzyjne systemy laserowe lub całkowicie nowe rozwiązanie tego problemu. Niezbędne będą bardzo wydajne, precyzyjne systemy laserowe lub całkowicie nowe rozwiązanie tego problemu.
Innym obiecującym silnikiem, który już istnieje, jest silnik jonowy. Jego płynem roboczym jest zjonizowany gaz obojętny (argon, ksenon) lub rtęć. Zjonizowana substancja jest przyspieszana w polu elektrostatycznym do bardzo dużych prędkości. System ekstrakcji jonów dodatnich „wyciąga” je z substancji i wyrzuca w przestrzeń, zapewniając ruch. Silniki jonowe były używane w Hayabusa (w 2010 roku dostarczyły próbki gleby z asteroidy Itokawa na Ziemię) i Dawn (uruchomione w 2007 roku w celu zbadania Westy i Ceres).
Taki silnik osiąga wysoki impuls właściwy i niskie zużycie paliwa. Wadą nowoczesnych silników jonowych jest wyjątkowo mały ciąg, więc taki statek nie będzie mógł wystrzelić z Ziemi, będzie musiał zostać zbudowany poza planetą.
Aparatura Dawn (grafika komputerowa).
Inną ciekawą koncepcją jest międzygwiezdny silnik odrzutowy Bassard. Statek wyposażony w taki silnik przechwytuje materiał ośrodka międzygwiazdowego (w tym wodór) za pomocą „lejka” silnego pola elektromagnetycznego. Średnica lejka powinna wynosić tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy kilometrów. Zebrany wodór jest wykorzystywany w termojądrowym silniku rakietowym statku. Zapewnia to autonomię paliwową statku.
Niestety, ten silnik ma również wiele ograniczeń technicznych. Jego prędkość nie jest tak duża, ponieważ przechwytując każdy atom wodoru, statek traci pewien pęd, a to można skompensować ciągiem tylko przy stosunkowo małej prędkości. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, konieczne jest znalezienie sposobów jak najpełniejszego wykorzystania uwięzionych atomów.
Tak mógłby wyglądać statek napędzany silnikiem Bassarda (ilustracja: Joe Bergeron).
Społeczeństwo na pokładzie
Ile osób może wyruszyć w międzygwiezdną wyprawę? Oceny ekspertów znacznie się różnią. Dzieje się tak pomimo faktu, że większość z nich optymistycznie ocenia długość lotu w setkach, a nie tysiącach lat. W 2002 roku antropolog John Moore z University of Florida zasugerował, że populacja około 160 mieszkańców małej wioski wystarczyłaby do stworzenia stabilnej populacji na 200 lat lotu. Jednocześnie okrutna „inżynieria społeczna”, jak w przypadku dystopii, nie będzie wymagana, a znana nam rodzina stanie się podstawą kosmicznej kolonii. Każdy będzie miał kilkunastu odpowiednich partnerów małżeńskich. Nawet dzisiaj - z pozornie nieskończonym wyborem - większość ludzi nie przekracza tej liczby partnerów w zakresie długotrwałych relacji.
Jednak w tak małych populacjach istnieje niebezpieczeństwo zmniejszonej różnorodności genetycznej. Może się zmniejszać zarówno stopniowo, jak i nieoczekiwanie - na przykład w przypadku groźnej infekcji wyprawa napotka „efekt wąskiego gardła”, w którym populacja gwałtownie spada, a następnie stopniowo się regeneruje. Pula genów się pogarsza, co znajduje odzwierciedlenie w potomkach tych, którzy przeżyli katastrofę. W królestwie zwierząt efekt ten wpłynął na różnorodność genetyczną gepardów - uważa się, że kiedyś tylko kilka osobników było w stanie przeżyć. Gatunek był na skraju wyginięcia, obecnie na wolności na całym świecie żyje tylko około 7 000 gepardów. Ze względu na długo spokrewnione krzyżowanie nie różnią się odpornością na choroby, a na wolności większość młodych nie dożywa nawet roku.
Kolejnym zagrożeniem dla kolonistów jest efekt założycielski. Występuje, gdy niewielka liczba przedstawicieli określonego gatunku zamieszkuje nowe terytorium. Nie zachowują całej puli genów pierwotnej populacji, dlatego też mogą stanąć przed problemem stopniowej redukcji różnorodności genetycznej.
Antropolog Cameron Smith z Portland State University wyliczył w 2013 roku, że potrzeba dziesiątek tysięcy ludzi, aby poradzić sobie z tymi zagrożeniami przez 150 lat lotu. Według niego stabilna populacja potrzebuje około 40 000 osób, z czego co najmniej 23 500 jest w wieku rozrodczym. Jednak kolonia może być mniejsza, jeśli ma do dyspozycji wystarczająco duży bank zarodków.
Kadr z filmu Pandorum.
Przestrzeń w piwnicy, przestrzeń na pustyni
Oczywiście wszystkie te ważne pytania długo pozostaną tylko teoretyczne. Dzisiejsze technologie nie są w stanie wysłać człowieka do sąsiednich gwiazd, a to przez długi czas będzie poza naszymi możliwościami. Ale w przyszłości badania, które mogą przybliżyć przyszłość kosmosu, w tym statki pokoleń, trwają od kilku dziesięcioleci.
Jednym z najbardziej znanych rodzajów takich eksperymentów jest tworzenie zamkniętych ekosystemów. Pasażerowie statku pokoleń będą w nim mieszkali przez tysiące lat, więc kolonia musi być całkowicie samowystarczalna: nie ma gdzie czekać na pomoc. To doświadczenie będzie przydatne w rozwoju nowej planety. Projekty tworzenia zamkniętych systemów rozpoczęto w latach 70. XX wieku, tuż po wylądowaniu człowieka na Księżycu.
W ZSRR w latach 1968-1972 zbudowano „BIOS-3”. Naukowcy z Krasnojarskiego Academgorodok stworzyli szczelne pomieszczenie o wymiarach 14 × 9 × 2,5 mi kubaturze około 315 m³ w podziemiach Instytutu Biofizyki, składające się z czterech komór. „Kabiny załogi” i sprzęt zajmowały tylko jedną z nich, w pozostałych znajdowały się kamery-fitotrony do uprawy roślin i hodowców mikroalg. Zastosowano specjalne odmiany: na przykład specjalnie wyhodowaną pszenicę karłowatą ze skróconą łodygą. W BIOS-3 przeprowadzono 10 eksperymentów, z których najdłuższy trwał 180 dni. Uczestnikom udało się stworzyć całkowicie zamknięty system zużycia gazu i wody. W 80% zaopatrywali się w żywność.
We wczesnych latach 90. miał miejsce prawdopodobnie najsłynniejszy eksperyment dotyczący stworzenia systemu zamkniętego „Biosphere-2”. W Arizonie powstał kompleks kilku budynków i szklarni na powierzchni około 1,5 ha. Wewnątrz wymodelowano kilka naturalnych obszarów: tropikalne zarośla, sawannę, lasy namorzynowe, a nawet ocean. W „Biosferze-2” żyło około 3000 gatunków roślin i zwierząt. Zespół projektowy składał się z ośmiu osób - w równym stopniu mężczyzn i kobiet. Wspierali prace technologii obiegu wody i powietrza, zajmowali się rolnictwem na własne potrzeby i przeprowadzali różne eksperymenty.
Complex Biosphere-2.
Pierwszy etap eksperymentu trwał dwa lata. Przez rok „koloniści” mogli zająć się produkcją żywności: w pierwszych miesiącach ludzie byli nieustannie głodni. Później dostosowali się do nowej diety, a wiele wskaźników zdrowotnych uczestników uległo poprawie w wyniku eksperymentu, na przykład obniżenie ciśnienia krwi. Największym problemem był spadek poziomu tlenu. Uczestniczka projektu Jane Poynter wspomina: „Kiedy tracisz dużo tlenu - a nasz poziom znacznie spadł, spadł z 21% do 14,2% - czujesz się okropnie. Budzisz się z trudem łapiąc powietrze, ponieważ zmienia się skład twojej krwi. We śnie przestajesz oddychać, potem w końcu robisz wdech i budzisz się. To strasznie denerwujące. A na zewnątrz wszyscy byli przekonani, że umieramy”.
Uważa się, że poziom tlenu zaczął spadać, ponieważ mikroorganizmy z „Biosfery-2” rozmnażały się aktywniej niż oczekiwano. To samo stało się z owadami. Zabrania się ich niszczenia przy pomocy pestycydów: mogłoby to zaburzyć równowagę sztucznej biosfery. W rezultacie organizatorzy projektu musieli sfałszować dane: do układu wpompowano brakujący tlen. Kiedy stało się to znane, krytyka spadła na uczestników eksperymentu. Ale poziom tlenu nadal spadał, nawet przy dostawach gazu z zewnątrz, i dokładnie dwa lata po rozpoczęciu pierwsza faza projektu została zakończona. Ogólnie rzecz biorąc, eksperyment zakończył się niepowodzeniem. Ale nie umniejszaj znaczenia takich eksperymentów. Po pierwsze, pokazują wiele pułapek w obliczeniach i pomagają tworzyć bardziej realistyczne modele. Po drugie, projekty te przypominają:Kolonizacja przestrzeni wymaga czegoś więcej niż tylko potężnych silników. Aby pewnego dnia dostać się na inne planety, ludzkość będzie potrzebować szerokiej gamy wiedzy i umiejętności.
Uczestnicy eksperymentu BIOS-3 ze zbiorami pszenicy.
Zamieszki na statku?
Na uczestników milenijnych wypraw czeka wiele trudności. Niektóre problemy są związane ze środowiskiem: na przykład destrukcyjne skutki promieniowania kosmicznego. Może przyczyniać się do rozwoju raka, uszkodzenia szpiku kostnego i zaburzeń układu odpornościowego. Dlatego wychodząc w kosmos, musisz odpowiednio się zabezpieczyć. Potrzebne będą systemy przewidywania promieniowania uwzględniające wiele parametrów. Głównym zadaniem jest określenie stopnia uszczerbku na zdrowiu i ciągłe utrzymywanie równowagi. Koloniści nieuchronnie będą musieli podejmować ryzyko, a projektanci statków będą musieli znaleźć sposób na zamontowanie elementów ochronnych na statku bez poświęcania ładunku.
Nie mniej niebezpieczne są, co dziwne, trudności moralne i etyczne. W kosmos wyruszą osoby szczerze oddane swojej pracy, wierzące w potrzebę podboju innych planet. Ale czy ich potomkowie będą w stanie zachować tę wiarę i czy będą chcieli? A co, jeśli przedstawiciele pokoleń „średniozaawansowanych” pewnego dnia poczują się uwięzieni w nowoczesnym kosmicznym więzieniu? Etyka musi znaleźć odpowiedź na te pytania, w przeciwnym razie nie można uniknąć problemów.
Kadr z filmu Pandorum.
Konsekwencje są nieprzewidywalne: od pesymizmu i apatii załogi po otwarte konflikty. W zamkniętej przestrzeni statku niezrozumienie ojców i dzieci lub spory ideologiczne staną się katastrofalne. Potwierdza to historia tej samej „Biosfery-2”. Kiedy stało się jasne, że poziom tlenu nieubłaganie spada, eksperymentatorzy podzielili się na dwie grupy. Jedni chcieli od razu opuścić „Biosferę”, inni - jak najbardziej - doprowadzić projekt do końca. Mówi się, że konflikt zaostrzył się do tego stopnia, że wielu byłych uczestników eksperymentu nadal nie rozmawia ze sobą. Ale spędzili tylko dwa lata w systemie zamkniętym!
Tak więc, podczas gdy ludzkość dopiero zaczyna drogę do gwiazd. Potrzeba będzie znacznie więcej badań, aby stworzyć realne projekty samowystarczalnej kolonii kosmicznej i niezawodnego statku międzygwiezdnego.
Natalia Pelezneva