У фантастичних творах і комп’ютерних іграх є безліч прикладів різних дивовижних космічних споруд: від літаючих під звуки класичної музики колесоподібних орбітальних станцій до цілих світів у формі кільця. Але найдивовижніше — в тому, що за всієї очевидної фантастичності багато подібних споруд ґрунтуються на наявних теоретичних розробках і цілком могли б насправді існувати. Зрозуміло, за умови досягнення нашою цивілізацією необхідного для їхнього створення рівня технічного розвитку.
У цьому матеріалі ми розглянемо проєкти орбітальних поселень, які реально було б втілити в середньостроковій перспективі.
Тороподібна космічна станція
Космічна станція, що обертається, у формі гігантського колеса (тора) — один із найзнаменитіших образів майбутнього, добре знайомий навіть тим, хто не надто захоплюється космонавтикою або футурологією. Її можна знайти у великій кількості різних фантастичних творів — від “Космічної одіссеї 2001 року” до “Інтерстеллара”.
Така популярність досить зрозуміла, адже перші проєкти обертових колесоподібних орбітальних станцій з’явилися ще задовго до початку космічної ери. Опис концепції цієї споруди можна зустріти й у роботах таких теоретиків космонавтики, як Костянтин Ціолковський і Герман Поточник. Вибір форми пояснювався тим, що відцентрова сила, яка виникає завдяки обертанню, дає змогу створити аналог земної гравітації та у такий спосіб запобігти шкоді від тривалого перебування в невагомості мешканців станції.
Наступний крок зробив Вернер фон Браун. 1952 року в журналі Collier’s Weekly вийшла його стаття з детальним описом проєкту тороподібної орбітальної станції. З діаметром 76 м вона була розрахована на постійний екіпаж з 80 осіб. За задумом фон Брауна, станція мала стати своєрідним пересадочним пунктом для запуску космічних кораблів до інших тіл Сонячної системи. Публікацію супроводжували ілюстрації, що створили класичний візуальний образ такої споруди, який потім упевнено увійшов у масову культуру.
Надалі ця концепція послужила основою для маси проєктів набагато більших космічних поселень, призначених для постійного проживання великої кількості людей. Найвідоміший із них розроблено дослідниками зі Стенфордського університету, завдяки чому він і отримав назву Стенфордський тор.
Що ж являє собою Стенфордський тор? За задумом авторів, ця споруда діаметром 1,8 км має стати домом для 10 000 осіб. Вона обертається навколо своєї осі зі швидкістю один оберт на хвилину, створюючи штучну гравітацію в 0,9-1 g у внутрішній частині кільця. Щільність населення Стенфордського тора приблизно відповідає густонаселеному передмістю.
Для освітлення внутрішніх приміщень станції використовується сонячне світло, що надходить через систему дзеркал. Частина кільця відводиться сільському господарству, частина — під житлові приміщення. Внутрішній простір станції має бути досить великим для створення штучної екосистеми. Автори проєкту образно порівнювали його з довгою вузькою льодовиковою долиною, чиї кінці загинаються вгору, формуючи коло.
Кільце з’єднується з маточиною через спиці-коридори, призначені для руху людей і вантажів. Оскільки в районі маточини штучна гравітація мізерна, тут пропонується встановити нерухомі модулі, які будуть використовуватися як стикувальний вузол для прийому космічних кораблів, а також виробничі цехи.
Як місце для розміщення Стенфордського тора було запропоновано точку Лагранжа L5 системи Земля — Місяць. За проведеною в 1970-ті роки оцінкою, для створення такої споруди знадобилося б приблизно 10 млн тонн матеріалів і $200 млрд. З урахуванням інфляції, а також набагато кращого розуміння всіх складнощів космічного будівництва, зараз до останньої цифри довелося б додати щонайменше один, а скоріше, і два нулі.
Сфера Бернала
Тор є не єдиною формою, яку може мати велике орбітальне поселення. Інший знаменитий концепт називається Сфера Бернала. Оригінальний варіант цієї споруди був розроблений ще 1929 року Джоном Десмондом Берналом. Він являв собою наповнену повітрям сферу діаметром 16 км, здатну вмістити 20-30 тисяч осіб.
У 1970-х проєкт Сфери Бернала істотно доопрацювали, спираючись на сучасні знання. Дослідники з того ж Стенфордського університету дійшли висновку, що саме сферична форма оптимальна для стримування внутрішнього тиску і захисту мешканців космічної станції від радіації. У результаті вони розробили проєкт поселення у вигляді 500-метрової сфери, що обертається зі швидкістю 1,9 оберту на хвилину. Це б дозволило створити на її екваторі штучну гравітацію, подібну до земної.
Через конструктивні особливості внутрішній ландшафт поселення має скидатися на велику долину, що проходить його екватором. Для її освітлення пропонується використовувати сонячне світло, спрямоване у велике вікно на полюсі сфери через мережу зовнішніх дзеркал. Станція також міститиме сільськогосподарський відсік, аби забезпечити їжею її 10 000 мешканців.
Пізніше було розроблено проєкт навіть більшої сферичної станції, з діаметром 1,8 км і довжиною екваторіального кола 6,5 км. Передбачається, що така споруда зможе стати домом для 140 000 осіб.
Циліндр О’Нілла
Ще один культовий проєкт космічного поселення був розроблений астрофізиком Джерардом О’Ніллом. Усе почалося наприкінці 1960-х. Викладач Прінстонського університету О’Нілл на одному з семінарів поставив своїм студентам запитання, чи є поверхня інших планет найбільш підходящим місцем для експансії технологічно розвиненої цивілізації. Після обговорень ті дійшли несподіваних для О’Нілла негативних висновків.
Надихнувшись дослідженнями своїх учнів, О’Нілл написав серію статей. У них він розглянув ідеї різних орбітальних поселень, здатних самостійно забезпечити своїх мешканців усім необхідним і підтримувати умови для життя, що нагадують земні.
Найзнаменитіший проєкт ученого має назву Циліндр О’Нілла (сам він назвав його Острів III). Своїми розмірами цей світ набагато перевершує як Стенфордський тор, так і Сферу Бернала. Проєкт О’Нілла передбачає створення космічного поселення у вигляді двох циліндрів, що обертаються в протилежних напрямках, завдовжки 32 км і діаметром 8 км, пов’язаних між собою з кінців штоками через систему підшипників. Обертаючись, вони створюють штучну гравітацію на своїй внутрішній поверхні за рахунок відцентрової сили.
Кожен циліндр має шість рівних ділянок смуг уздовж своєї довжини — три “вікна” і три “суші” для розміщення будівель. Зі зворотних боків вікон розташовані великі дзеркала. Їхнє призначення — відбивати всередину циліндра сонячне світло. За рахунок поступового руху дзеркал передбачалося відтворити ефект зміни протягом земного дня кута падіння сонячних променів. Ніч імітується відкриттям дзеркал, що дає змогу вікнам відображати вид відкритого космосу, а також випромінювати зайве тепло.
Зовнішнє сільськогосподарське кільце може змінювати швидкість обертання з метою підвищення врожайності. Уздовж центральної осі циліндра розташовується промисловий блок. На думку авторів проєкту, умови мікрогравітації сприятимуть виробництву низки унікальних матеріалів, які неможливо створити на Землі.
Як атмосферу Циліндра О’Нілла було запропоновано газову суміш, що на 40% складається з кисню і на 60% з азоту з тиском уполовину від земного. Такий тиск дозволив би знизити навантаження на стіни і зменшити втрати повітря. З урахуванням розмірів циліндра, товщина повітряного прошарку здатна забезпечити достатній захист його мешканцям від впливу космічних променів. А завдяки величезному внутрішньому об’єму, найімовірніше, всередині поселення виникне власна погодна система.
Зрозуміло, час від часу циліндр зазнаватиме ударів мікрометеоритів. Тому його вікна не повинні складатися із суцільного скла, їх слід розділити на безліч невеликих секцій, що дасть змогу спростити їхній ремонт і заміну. Розрахунки показали, що хоча удар космічних тіл і може пробити скло, зважаючи на величезний обсяг станції, це не призведе до катастрофічної втрати атмосфери.
Як місця для розміщення свого поселення О’Нілл пропонував обрати точки Лагранжа L4 і L5 системи Земля — Місяць. У них земна атмосфера не чинила б на станцію жодного впливу і їй би знадобилися мінімальні витрати палива на утримання своєї позиції.
Ідея колонії О’Нілла все ще вельми популярна серед ентузіастів космонавтики. 2014 року група інженерів розробила оновлений дизайн такої споруди, в основі якого лежить використання гігантської надувної конструкції навколо жорсткого каркаса. А 2019 року знаменитий Джефф Безос заявив, що, на його погляд, майбутнє в освоєнні космосу саме за колоніями О’Нілла, а не за поселеннями на інших планетах.
Орбітальна станція — астероїд
Усі описані вище проєкти орбітальних поселень об’єднує те, що їхнє створення потребує величезної кількості будматеріалів. Використання для їхньої доставки в космос традиційних хімічних ракет призведе до воістину астрономічних витрат, що апріорі ставить хрест на всій концепції.
Одним із рішень проблеми вбачають космічний ліфт для доставки будматеріалів. Але річ у тім, що з технологічного погляду це багато в чому складніша і дорожча споруда, ніж орбітальне поселення (докладніше про це читайте в нашому наступному матеріалі).
Тому як дешевшу альтернативу ліфту автори більшості проєктів пропонують скористатися космічними ресурсами — матеріалами, видобутими на Місяці і потім закинутими в точки Лагранжа за допомогою електромагнітної катапульти та/або захоплених астероїдів. Вивчення останньої можливості призвело до появи нової ідеї: а що, якщо замість того щоб розбирати астероїд на будматеріали, облаштувати у ньому населений простір, тим самим перетворивши його на космічну станцію?
Концепцію поселення всередині астероїда активно розглядають останніми роками багато інженерів. Спрощено вона має такий вигляд. У глибинах астероїда створюється герметична порожнина, яка потім заповнюється повітрям. Далі його внутрішні стінки зміцнюються, після чого камінь розкручується, щоб забезпечити симуляцію сили тяжіння на його внутрішній поверхні. Такий підхід дає змогу усунути цілу низку проблем, пов’язаних зі зведенням космічних поселень у їхньому традиційному розумінні, оскільки позбавляє будівельників необхідності видобувати і везти будматеріали через усю Сонячну систему.
Сам процес будівництва пропонується зробити повністю автоматизованим. Найкращим варіантом є використання роботів, що самореплікуються. Недавні дослідження показали, що в теорії, лише чотирьох таких механізмів було б досить, щоб за 12 років перетворити 5-кілометровий астероїд на будинок, здатний вмістити 700 000 осіб.
Звісно, поки що необхідні для реалізації такого проєкту технології існують лише на папері. Однак цілком імовірно, що саме це — найбільш оптимальний шлях для створення орбітальних поселень.
У другій частині нашого матеріалу ми розповімо про наступний тип астроспоруд — космічний ліфт та орбітальне кільце.
