"Planeten är sinnets vagga, men man kan inte leva i vaggan för alltid," skrev Konstantin Tsiolkovsky i början av 1900-talet. Idag pratar forskare allt mer om att förr eller senare människor kommer att behöva lämna jorden och leta efter ett nytt hem.
Sov inte
I science fiction-böcker och filmer är besättningarna på interstellära fartyg vanligtvis nedsänkta i avstängd animering under flygningen. Bekvämt: en lång väg för dem flyger förbi som ett ögonblick. Men om du mäter denna situation med verkligheten uppstår omedelbara inkonsekvenser. Vad kommer att hända med rymdskeppet under flygtiden? Kommer det att kunna reparera sig själv och återställa vid behov, kommer säkerhetssystemen att kunna ta hänsyn till alla riskfaktorer och kringgå hinder? Vad händer om teknologierna som säkerställer astronauternas anabiose misslyckas, som i den senaste filmen "Passengers", vars karaktärer vaknade 90 år före schemat? Hur mycket ovärderliga vetenskapliga data kommer mänskligheten aldrig att få om vi överger flygförsök till förmån för sömn?
Kanske fick sådana frågor människor att tänka på hur man kan övervinna det gränslösa utrymmet utan att somna. Du kan tillämpa "rotationsmetoden": till exempel varje år vaknar upp flera astronauter och tar kontroll över rymdskeppets tillstånd. Ett år senare ersätts de av följande. Men vad händer om när expeditionen skickas ut, mänskligheten inte har hittat ett sätt att säkert dyka in i en lång sömnupphängd animering? Trots allt är dessa experiment hittills bara i ett tidigt skede.
En stillbild från filmen Pandorum.
Resultatet av sådana diskussioner var projekt av "generationer skepp". Det är ett fartyg för interstellär resa med en hastighet som är mycket mindre än ljusets hastighet. Ett sådant fartyg måste flyga i tusentals år. Under denna tid kommer de första kolonisterna att bli gamla och dö, deras efterkommande kommer att ta sin plats. Detta scenario kommer att upprepa sig många gånger innan expeditionen anländer till sin destination.
En av de mest kända generationsfartygsdesignen baserades på Orion. Denna "explodera" (kärnpulsfartyg) utvecklades i USA i mitten av det tjugonde århundradet. Han skulle flytta på grund av en serie kärnkraftsladdningar, aktiverade på kort avstånd bakom fartyget. En del av explosionsprodukterna träffade "svansen" på rymdskeppet, där en massiv reflektorplatta absorberade energi och med hjälp av ett system med stötdämpare överförde den till rymdskeppet. Storleken på projektet Energy Limited Orion Starship är fantastiskt: fartygets diameter var 20 kilometer. Enligt beräkningarna från utvecklarna kan detta fartyg nå det närmaste stjärnsystemet Alpha Centauri på 1330 år. Dimensionerna på fartyget var tillräckligt för att rymma ett riktigt skepp av generationer - i själva verket en liten rymdstad. Men NASA satsade på billigare projekt, och Orion förblev en teori.
Kampanjvideo:
Men om det hade gått annorlunda, kan vi ha skickat de första kolonisterna ut i rymden idag? Tyvärr inte. Generationens rymdskeppskoncept löser många av de teoretiska problemen med lång rymdresa - och skapar ett antal nya problem. Vi kommer att ta reda på vilka svårigheter generationerna kan möta och vad du måste tänka på när du går till avlägsna stjärnor.
Energy Limited Orion Starship.
Vart flyger vi?
Förespråkare för rymdkolonisering är indelade i två grupper: någon skapar projekt för terraformering av Mars, och någon är säker på att att hitta en ny jord bara kan hittas i andra stjärnor. Exoplanetforskare bekräftar att det är möjligt att hitta en rymdkropp som är lämplig för livet utanför solsystemet, även om det inte är lätt.
För en framgångsrik bosättning är det viktigt att den hittade planeten liknar jorden på många sätt. Vi behöver en temperatur som är acceptabel för det jordiska livet och vatten i flytande tillstånd. Stjärnan runt vilken planeten roterar bör uppträda så "lugnt" som möjligt - frekventa och intensiva blossar orsakar skarpa temperaturhopp. Flödet av laddade partiklar från en stjärna kan skada planetens atmosfär och med tiden "blåsa av" nästan hela gashöljet. Kanske i solsystemet hände detta med Merkurius.
Rymden runt stjärnan, i vilken planeterna kan ha flytande vatten, kallas den bebodda zonen. Detta är en sorts "mellersta" zon i planetariska systemet. Planeterna i den ligger inte långt från stjärnan, de får tillräckligt med energi så att vattnet inte fryser. Men samtidigt bör de inte vara för nära stjärnan - vattnet kan avdunsta. I engelskspråkig litteratur kallas denna webbplats "Goldilocks Zone" för att hedra berättelsen om en tjej som föll i ett hus med tre björnar. Medan djuren inte är hemma, bestämmer hon sig för att sova lite och ligger växelvis på tre bäddar: en är för hård, den andra är för mjuk och den tredje är helt rätt.
Det verkar som om vi också helt enkelt kan "sortera" alla planeter i ett visst system och välja rätt. Tyvärr är inte alla planeter i den bebodda zonen lämpliga för oss: flytande vatten är möjligt på dem, men alla andra förhållanden på en sådan planets yta kan vara outhärdliga för jordgubbar.
Sommaren 2016 tillkännagav astrofysiker vid European Southern Observatory upptäckten av den närmaste exoplaneten till jorden. Den kretsar kring Proxima Centauri, den närmaste stjärnan till solsystemet, och kallas nu Proxima Centauri b. Enligt forskare är den belägen i den bebörliga zonen för sin stjärna och kan mycket väl ha flytande vatten. Ingen av de kända klimatmodellerna motsäger detta. Men det är för tidigt att kalla Proxima Centauri för vårt nya hem. Det är mycket närmare sin stjärna än jorden är till solen, och effekterna av denna närhet kan vara oförutsägbara.
Potentiellt bebobara exoplaneter. TRAPPIST-1 planeter är ännu inte listade.
En ny upptäckt från början av 2017 - sju exoplaneter nära den svala röda dvärgen TRAPPIST-1 i konstellationen Vattumannen. Alla planeter har samma storlek som jorden. Hypotetiskt kan det finnas flytande vatten på alla sju planeter, men det finns troligtvis på TRAPPIST-1e-, f- och g-planeterna. Astrofysiker spekulerar i att nya teleskoper - som det europeiska extremt stora teleskopet, som började byggas i Chile 2014 - kommer att kunna visa med säkerhet om dessa planeter har vatten.
Det viktigaste är att även exoplaneten närmast jorden är fortfarande på stort avstånd från oss. Det är 4,24 ljusår bort - för att resa denna väg kommer befintligt rymdskepp, även utan att ta hänsyn till tiden för acceleration och retardation, ta tiotusentals år. Som jämförelse är planeterna runt TRAPPIST-1 cirka 40 ljusår bort. Teknologin går framåt, men avstånd i rymden verkar fortfarande oändliga. Detta får oss att tänka om och om igen på projekt som generationsfartyg.
Så här kan ytan på planeten TRAPPIST-1f se ut (NASA-illustration).
Framtidens motorer
Men kanske finns det fortfarande ett sätt att täcka dessa avstånd snabbare? Befintliga rymdskepps kapaciteter räcker helt klart inte, men ny utveckling pågår. Ett av de mest imponerande projekten är solens (fotoniska) segel. Den använder ljusets tryck på en speglad yta. I solsystemet kan ett segel drivas av solljus, och denna teknik finns redan. 2010 gick det japanska rymdskeppet IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) ut i rymden. Den är utrustad med ett fyrkantigt segel med en sida på 14 meter, bestående av fyra kronblad. Solpaneler är fästa på dem. IKAROS uppgift var att framgångsrikt öppna solseglet och röra sig med sin hjälp, och den japanska enheten hanterade detta till fullo. Men solljustrycket är relativt litet,Därför måste vi använda andra källor för att gå längre än vårt system. Det finns projekt för att överklocka en sådan enhet med hjälp av en laser. Solens segel har obestridliga fördelar: den kräver inte bränsle och kan vara relativt lätt av sig själv. Men mänskligheten har inte tillräckligt med resurser för att lansera ett interstellärt segelfartyg. Mycket kraftfulla lasersystem med hög precision eller en grundläggande ny lösning på detta problem kommer att krävas. Mycket kraftfulla lasersystem med hög precision eller en grundläggande ny lösning på detta problem kommer att krävas. Mycket kraftfulla lasersystem med hög precision eller en grundläggande ny lösning på detta problem kommer att krävas.
En annan lovande motor som redan finns är den joniska. Dess arbetsvätska är joniserad inert gas (argon, xenon) eller kvicksilver. Den joniserade substansen accelereras i ett elektrostatisk fält till mycket höga hastigheter. Systemet för att utvinna positiva joner "drar" dem ur ämnet och kastar dem ut i rymden och ger rörelse. Ionmotorer användes i rymdskeppet Hayabusa (som levererade markprover från asteroiden Itokawa till jorden 2010) och Dawn (som startades 2007 för att utforska Vesta och Ceres).
En sådan motor uppnår en hög specifik impuls och låg bränsleförbrukning. Nackdelen med moderna jonmotorer är den extremt låga drivkraften, så ett sådant fartyg kommer inte att kunna sjösättas från jorden, det måste byggas utanför planeten.
Gryningsapparat (datorgrafik).
Ett annat intressant koncept är den mellersta stjärnmotorn Bassard Ramjet. Ett fartyg utrustat med en sådan motor fångar materialet i det interstellära mediet (inklusive väte) med hjälp av en "tratt" i ett kraftfullt elektromagnetiskt fält. Trattens diameter bör vara tusentals, eller till och med tiotusentals kilometer. Det insamlade väte används i fartygets termonukleära raketmotor. Detta säkerställer fartygets bränsleautonomi.
Tyvärr har denna motor också många tekniska begränsningar. Dess hastighet är inte så hög, för när fartyget fångar upp varje väteatom förlorar fartyget ett visst momentum, och detta kan kompenseras genom att driva endast med relativt låg hastighet. För att övervinna denna begränsning är det nödvändigt att hitta sätt att utnyttja de fångade atomerna så mycket som möjligt.
Så här kan ett fartyg som drivs av en Bassard-motor se ut (illustration av Joe Bergeron).
Samhälle ombord
Hur många kan gå på en interstellär expedition? Experternas bedömningar skiljer sig avsevärt. Detta trots det faktum att de flesta av dem är optimistiska när det gäller flygtiden på hundratals, inte tusentals år. År 2002 föreslog antropolog John Moore från University of Florida att en befolkning på cirka 160 i en liten by skulle räcka för att skapa en stabil befolkning för en 200-årig flygning. Samtidigt krävs inte grym "social engineering", som i dystopier, familjen som vi känner till kommer att bli grunden för rymdkolonin. Var och en kommer att ha ett dussin lämpliga äktenskapspartners. Till och med idag - med ett till synes oändligt val - överskrider de flesta inte detta antal partners när det gäller långsiktiga relationer.
I sådana små populationer finns det dock en risk för minskad genetisk mångfald. Det kan minska både gradvis och oväntat - till exempel vid en farlig infektion kommer expeditionen att möta en "flaskhalseffekt", där befolkningen minskar kraftigt och sedan gradvis återhämtar sig. Genpoolen blir sämre, och detta återspeglas i ättlingarna till de som överlevde katastrofen. I djurriket påverkade denna effekt den genetiska mångfalden hos cheetahs - man tror att en gång bara några få individer kunde överleva. Arten var på väg till utrotning, nu lever bara cirka 7000 cheetahs i naturen runt om i världen. På grund av den långa närbesläktade korsavlingen skiljer de sig inte i resistens mot sjukdomar, och i naturen lever de flesta ungarna inte upp till ett år.
Ett annat hot mot kolonister är grundareffekten. Det inträffar när ett litet antal företrädare för en viss art bebor ett nytt territorium. De bevarar inte hela genpoolen i den ursprungliga populationen, därför kan de också möta problemet med en gradvis minskning av den genetiska mångfalden.
Antropolog Cameron Smith från Portland State University beräknade 2013 att tiotusentals människor behövs för att hantera dessa hot under 150 års flygning. Enligt honom behöver en stabil befolkning cirka 40 000 människor, av vilka minst 23 500 är i fertil ålder. Emellertid kan kolonin bli mindre om den har en tillräckligt stor embryobank till sitt förfogande.
En stillbild från filmen Pandorum.
Utrymme i källaren, utrymme i öknen
Naturligtvis kommer alla dessa viktiga frågor bara att vara teoretiska under lång tid. Dagens teknik kan inte skicka en person till angränsande stjärnor, och detta kommer att ligga utanför vår makt under lång tid. Men forskning i framtiden som kan närma rymdets framtid, inklusive generationer, har pågått i flera decennier.
En av de mest kända typerna av sådana experiment är skapandet av slutna ekosystem. Passagerare av generationsfartyget kommer att bo i det i tusentals år, så kolonin måste vara helt självförsörjande: det finns ingenstans att vänta på hjälp. Denna erfarenhet kommer att vara användbar vid utvecklingen av en ny planet. Projekt för att skapa stängda system började på 1970-talet, strax efter landningen av människan på månen.
I Sovjetunionen 1968-1972 byggdes "BIOS-3". Forskare från Krasnoyarsk Academgorodok har skapat ett förseglat rum med en storlek på 14 × 9 × 2,5 m och en volym på cirka 315 m³ i källaren i Institute of Biophysics, bestående av fyra fack. "Besättningsstugor" och utrustning ockuperade bara en av dem, i resten fanns kameror-fytotroner för odling av växter och odlare av mikroalger. Speciella sorter användes: till exempel specialavlat dvärgvete med en förkortad stam. Tio experiment genomfördes i BIOS-3, det längsta varade i 180 dagar. Deltagarna lyckades skapa ett helt slutet system för gas- och vattenförbrukning. De försåg sig med mat med 80%.
I början av 1990-talet ägde det kanske mest kända experimentet på skapandet av ett slutet system, "Biosphere-2". I Arizona byggdes ett komplex av flera byggnader och växthus på ett område på cirka 1,5 hektar. Flera naturområden modellerades inuti: tropiska snäckor, savannah, mangroveskogar och till och med havet. Cirka 3000 arter av växter och djur levde i "Biosphere-2". Projektgruppen bestod av åtta personer - lika män och kvinnor. De stödde arbetet med vatten- och luftcirkulationsteknologi, engagerade sig i livsmedelsuppfödning och genomförde olika experiment.
Komplex biosfär-2.
Det första steget i experimentet varade i två år. Under ett år kunde "kolonisterna" etablera livsmedelsproduktion: under de första månaderna var människor ständigt hungriga. Senare anpassade de sig till den nya dieten, och många av deltagarnas hälsaindikatorer förbättrades som ett resultat av experimentet, till exempel minskade blodtrycket. Det största problemet var minskningen av syrehalten. Projektdeltagaren Jane Poynter erinrar om:”När du tappar mycket syre - och vår nivå har sjunkit markant, sjönk den från 21% till 14,2% - du känner dig hemsk. Du vaknar och suger efter luft eftersom blodets sammansättning förändras. I en dröm slutar du andas, så andas in äntligen och vaknar. Det här är väldigt irriterande. Och utanför var alla övertygade om att vi dör."
Det tros att syrehalten började sjunka, eftersom mikroorganismerna i "Biosphere-2" multiplicerades mer aktivt än förväntat. Samma sak hände med insekter. Det var förbjudet att förstöra dem med hjälp av bekämpningsmedel: detta kunde störa balansen i den konstgjorda biosfären. Som ett resultat måste projektets arrangörer förfalska data: det saknade syret pumpades in i systemet. När detta blev känt föll kritik på deltagarna i experimentet. Men syrehalten fortsatte att sjunka, även med gasförsörjning från utsidan, och exakt två år efter starten avslutades projektets första fas. Sammantaget befanns experimentet vara misslyckat. Men förminsk inte betydelsen av sådana experiment. Först visar de många fallgropar i beräkningar och hjälper till att skapa mer realistiska modeller. För det andra liknar dessa projekt:Koloniseringsutrymme kräver mer än kraftfulla motorer. För att en dag komma till andra planeter, kommer mänskligheten att behöva en mängd olika kunskaper och färdigheter.
Deltagare i BIOS-3-experimentet med den skördade vetegrödan.
Ett upplopp på ett fartyg?
Många svårigheter väntar på deltagarna i tusentals expeditioner. Några av problemen är relaterade till miljön: till exempel de destruktiva effekterna av rymdstrålning. Det kan bidra till utveckling av cancer, skador på benmärgen och störningar i immunsystemet. Därför, gå ut i rymden, måste du skydda dig själv ordentligt. Strålprognossystem som tar hänsyn till många parametrar kommer att behövas. Huvuduppgiften är att bestämma graden av skada på hälsan och hela tiden upprätthålla en balans. Kolonister måste oundvikligen ta risker, och skeppsdesigners måste hitta ett sätt att passa skyddselement på fartyget utan att offra nyttolasten.
Inget mindre farliga är, konstigt nog, moraliska och etiska svårigheter. Människor som är uppriktigt hängivna till sitt arbete, som tror på behovet av att erövra andra planeter, kommer att gå ut i rymden. Men kommer deras ättlingar att kunna bevara denna tro och vill de? Vad händer om företrädarna för de "mellanliggande" generationerna en dag känner sig fångade i ett högteknologisk rymdfängelse? Etik måste hitta ett svar på dessa frågor, annars kan problem inte undvikas.
En stillbild från filmen Pandorum.
Konsekvenserna är oförutsägbara: från pessimism och besättningens apati till öppna konflikter. I fartygets begränsade utrymme blir missförstånd av fäder och barn eller ideologiska tvister katastrofala. Detta bekräftas av historien om samma "Biosphere-2". När det blev tydligt att syrgasnivåerna föll obönhörligt, delade experimenterna upp i två grupper. Vissa ville omedelbart lämna "Biosfären", andra - för all del få projektet till slut. Det sägs att konflikten har blossat upp i en sådan utsträckning att många av de tidigare deltagarna i experimentet fortfarande inte talar med varandra. Men de tillbringade bara två år i ett slutet system!
Så medan mänskligheten just börjar vägen till stjärnorna. Mycket mer forskning krävs för att skapa livskraftiga mönster för en självbärande rymdkoloni och ett tillförlitligt interstellärt hantverk.
Natalia Pelezneva
