Футурологические космические сооружения, часть 1: орбитальные города

Космос 19 июля 2023 Max Polyakov Space

В фантастических произведениях и компьютерных играх встречается множество примеров различных диковинных космических сооружений: от летающих под звуки классической музыки колесообразных орбитальных станций до целых миров в форме кольца. Но самое удивительное заключается в том, что при всей кажущейся фантастичности многие из подобных строений основаны на имеющихся теоретических разработках и вполне могли бы существовать в действительности. Разумеется, при условии достижения нашей цивилизацией необходимого для их создания уровня технического развития.

В этом материале мы рассмотрим проекты орбитальных поселений, которые реально было бы реализовать в среднесрочной перспективе.

Торообразная космическая станция

Вращающаяся космическая станция в форме гигантского колеса (тора) — один из наиболее знаменитых образов будущего, хорошо знакомый даже тем, кто не особо увлекается космонавтикой или футурологией. Ее можно найти в большом количестве различных фантастических произведений — от «Космической одиссеи 2001 года» до «Интерстеллара».

Подобная популярность довольно закономерна, ведь первые проекты вращающихся колесообразных орбитальных станций появились еще задолго до начала космической эры. Описание концепции этого сооружения есть и в работах таких теоретиков космонавтики, как Константин Циолковский и Герман Поточник. Выбор формы объяснялся тем, что использование возникающей за счет вращения центробежной силы позволяет создать аналог земной гравитации и таким образом избежать последствий длительного пребывания в невесомости для обитателей станции.

Следующий шаг был сделан Вернером фон Брауном. В 1952 году в журнале Collier’s Weekly вышла его статья с детальным описанием проекта торообразной орбитальной станции. Она имела диаметр 76 м и была рассчитана на постоянный экипаж из 80 человек. По замыслу фон Брауна, станция должна была стать своеобразным пересадочным пунктом для запуска космических кораблей к другим телам Солнечной системы. Публикацию сопровождали иллюстрации, создавшие классический визуальный образ такого сооружения, прочно вошедший затем в массовую культуру.

В дальнейшем эта концепция послужила основой для массы проектов намного более крупных космических поселений, предназначенных для постоянного проживания большого количества людей. Наиболее известный из них разработан исследователями из Стэнфордского университета, благодаря чему и получил название Стэнфордский тор.

Что же представляет собой Стэнфордский тор? По замыслу авторов, это сооружение диаметром 1,8 км должно стать домом для 10 000 человек. Оно вращается вокруг своей оси со скоростью один оборот в минуту, создавая искусственную гравитацию в 0,9-1 g во внутренней части кольца. Плотность населения Стэнфордского тора примерно соответствует густонаселенному пригороду.

Для освещения внутренних помещений станции используется солнечный свет, поступающий через систему зеркал. Часть кольца отводится для сельского хозяйства, часть — под жилые помещения. Внутреннее пространство станции будет иметь достаточно большие размеры для создания искусственной экосистемы. Авторы проекта образно сравнивали его с длинной узкой ледниковой долиной, чьи концы загибаются вверх, формируя круг.

Кольцо соединяется со ступицей через спицы-коридоры, предназначенные для движения людей и грузов. Поскольку в районе ступицы искусственная гравитация ничтожна, здесь предлагается установить неподвижные модули, которые будут использоваться как стыковочный узел для приема космических кораблей, а также производственные цеха.

В качестве места для размещения Стэнфордского тора была предложена точка Лагранжа L5 системы Земля — Луна. Согласно проведенной в 1970-е годы оценке, создание такого сооружения потребовало бы порядка 10 млн тонн материалов и $200 млрд. С учетом инфляции, а также намного лучшего понимания всех сложностей космического строительства, сейчас к последней цифре пришлось бы добавить, как минимум, один, а скорее, и два нуля.

Сфера Бернала

Тор является не единственной формой, которую может иметь крупное орбитальное поселение. Другой знаменитый концепт носит название Сфера Бернала. Оригинальный вариант этого сооружения еще в 1929 году разработал Джон Десмонд Бернал. Он представлял собой наполненную воздухом сферу диаметром 16 км, способную вместить 20-30 тысяч человек.

В 1970-е годы проект Сферы Бернала был существенно доработан с учетом современных знаний. Исследователи из того же Стэнфордского университета пришли к выводу, что именно сферическая форма оптимальна для сдерживания внутреннего давления и защиты обитателей космической станции от радиации. В результате они разработали проект поселения в виде 500-метровой сферы, вращающейся со скоростью 1,9 оборота в минуту. Это бы позволило создать на ее экваторе искусственную гравитацию, подобную земной.

внутренняя часть сферы БерналаA

Из-за конструктивных особенностей внутренний ландшафт поселения должен походить на большую долину, пролегающую по его экватору. Для ее освещения предлагается использовать солнечный свет, направляющийся в большое окно на полюсе сферы через сеть внешних зеркал. На станции также будет сельскохозяйственный отсек, способный обеспечить пропитанием ее 10 000 обитателей.

Позже был разработан проект даже более крупной сферический станции, с диаметром 1,8 км и длиной экваториальной окружности 6,5 км. Предполагается, что такое сооружение сможет стать домом для 140 000 человек.

Цилиндр О’Нилла

Еще один культовый проект космического поселения был разработан астрофизиком Джерардом О’Ниллом. Все началось в конце 1960-х. Преподаватель Принстонского университета О’Нилл на одном из семинаров задал своим студентам вопрос о том, является ли поверхность других планет наиболее подходящим местом для экспансии технологически развитой цивилизации. После обсуждений те пришли к неожиданным для О’Нилла отрицательным выводам.

Вдохновившись изысканиями своих учеников, О’Нилл написал серию статей. В них он рассмотрел идеи различных орбитальных поселений, способных самостоятельно обеспечить своих обитателей всем необходимым и поддерживать условия для жизни, напоминающие земные.

Наиболее знаменитый проект ученого носит название Цилиндр О’Нилла (сам он назвал его Остров III). Своими размерами этот мир намного превосходит как Стэнфордский тор, так и Сферу Бернала. Проект О’Нилла предусматривает создание космического поселения в виде двух вращающихся в противоположных направлениях цилиндров длиной 32 км и диаметром 8 км, связанных друг с другом с концов штоками через систему подшипников. Вращаясь, они создают искусственную гравитацию на своей внутренней поверхности за счет центробежной силы.

Каждый цилиндр имеет шесть равных участков полос вдоль своей длины — три «окна» и три «суши», предназначенные для размещения строений. С обратных сторон окон установлены большие зеркала. Их предназначение — отражать внутрь цилиндра солнечный свет. За счет постепенного движения зеркал предполагалось воссоздать эффект изменения в течение земного дня угла падения солнечных лучей. Ночь имитируется открытием зеркал, что позволяет окнам отображать вид открытого космоса, а также излучать лишнее тепло.

Внешнее сельскохозяйственное кольцо может менять скорость вращения в целях повышения урожайности. Вдоль центральной оси цилиндра располагается промышленный блок. По мнению авторов проекта, условия микрогравитации будут способствовать производству ряда уникальных материалов, которые невозможно создать на Земле.

В качестве атмосферы Цилиндра О’Нилла была предложена газовая смесь, на 40% состоящая из кислорода и на 60% из азота с давлением в половину от земного. Такое давление позволило бы снизить нагрузку на стены и уменьшить потери воздуха. С учетом размеров цилиндра, толщина воздушной прослойки способна обеспечить достаточную защиту его обитателей от воздействия космических лучей. А благодаря огромному внутреннему объему, скорее всего, внутри поселения возникнет собственная погодная система.

Разумеется, время от времени цилиндр будет подвергаться ударам микрометеоритов. Поэтому его окна не должны состоять из сплошного стекла, их следует разделить на множество небольших секций, что позволит упростить их ремонт и замену. Расчеты показали, что хотя удар космических тел и может пробить стекло, ввиду огромного объема станции это не приведет к катастрофической потере атмосферы.

В качестве мест для размещения своего поселения О’Нилл предлагал точки Лагранжа L4 и L5 системы Земля — Луна. В них земная атмосфера не оказывала бы на станцию никакого влияния и ей бы требовались минимальные затраты топлива на удержание своей позиции.

Идея колонии О’Нилла все еще пользуется значительной популярностью среди энтузиастов космонавтики. В 2014 году группа инженеров разработала обновленный дизайн такого сооружения, в основе которого лежит использование гигантской надувной конструкции вокруг жесткого каркаса. А в 2019 году небезызвестный Джефф Безос заявил, что, на его взгляд, будущее в освоении космоса именно за колониями О’Нилла, а не за поселениями на других планетах.

космическое поселение Blue Origin

Орбитальная станция — астероид

Все описанные выше проекты орбитальных поселений объединяет то, что их создание требует огромного количества стройматериалов. Использование для их доставки в космос традиционных химических ракет повлечет за собой поистине астрономические затраты, что априори ставит крест на всей концепции.

Одним из решений проблемы видится космический лифт для доставки стройматериалов. Но дело в том, что с технологической точки зрения это во многом более сложное и дорогостоящее сооружение, чем орбитальное поселение (подробнее об этом читайте в нашем следующем материале).

Поэтому в качестве альтернативы подешевле, нежели лифт, авторы большинства проектов предлагают воспользоваться космическими ресурсами — материалами, добытыми на Луне и затем заброшенными в точки Лагранжа посредством электромагнитной катапульты и/или захваченных астероидов. Изучение последней возможности привело к появлению следующей идеи: а что, если вместо того чтобы разбирать астероид на стройматериалы, обустроить внутри него обитаемое пространство, тем самым превратив его в космическую станцию?

Концепцию поселения в середине астероида активно рассматривают в последние годы много инженеров. В упрощенном виде она выглядит следующим образом. В глубинах астероида создается герметичная полость, которая затем заполняется воздухом. Далее его внутренние стенки укрепляются, после чего камень раскручивается, чтобы обеспечить симуляцию силы тяжести на его внутренней поверхности. Подобный подход позволяет решить целый ряд проблем, связанных с возведением космических поселений в их традиционном представлении, поскольку избавляет строителей от необходимости добывать и везти стройматериалы через всю Солнечную систему.

Сам процесс строительства предлагается сделать полностью автоматизированным. Наилучшим вариантом является использование самореплицирующихся роботов. Недавние исследования показали, что в теории, всего четырех таких механизмов было бы достаточно, чтобы за 12 лет превратить 5-километровый астероид в дом, способный вместить 700 000 человек.

Конечно, пока что необходимые для реализации такого проекта технологии существуют лишь на бумаге. Однако вполне вероятно, что именно это наиболее оптимальный путь для создания орбитальных поселений.

Во второй части нашего материала мы расскажем о следующем типе астросооружений — космическом лифте и орбитальном кольце.