Космические поселения глазами НАСА

В то время как Planetary Resources лишь недавно объявила о своих намерениях заняться добычей платины и постоянно дорожающих редкоземельных элементов на астероидах, НАСА ещё в 1975-м совместно со Стэнфордским университетом (США) теоретически исследовало проблему.

Агентство пришло к выводу, что для экономически эффективного освоения астероидного материала его надо будет доставлять на околоземную или прилунную орбиту, где переработку возьмёт на себя настоящая космическая колония численностью не менее 10 тыс. человек. Время пребывания поселения в космосе специалисты оценили как неограниченное. Концептуальная проработка проекта была выполнена на высоком уровне и не утратила актуальности сегодня.

В связи с этим НАСА провело теоретическое исследование проблемы неограниченного по времени пребывания космического аппарата с десятком тысяч людей на борту в околоземном или прилунном пространстве. Целью была подготовка к созданию крупных орбитальных станций, занимающихся в том числе переработкой астероидного материала. Другой, не менее важной задачей могла стать колонизация Луны или иных районов Солнечной системы.

Американский проект (вверху) отличается от идей Циолковского и «Звезды КЭЦ» (внизу) в основном отражателем солнечного света, концентрирующим его на фотоэлементах станции, когда они в тени, и освещающим внутреннюю поверхность тора. (Илл. NASA, «ТМ».)

Звучит как НФ-история, но в середине 1970-х НАСА и впрямь серьёзно занялось проблемой. И мы не стали бы возвращаться к этой теме сегодня, если бы не усилившийся в последнее время интерес к тогдашнему докладу. Как ни странно, никакого иного капитального исследования на эту тему до сих пор нет. И, похоже, авторы написанной в 70-е работы очень глубоко вникли в поставленную задачу, по крайней мере им удалось избежать множества ошибок разработчиков «Биосферы-2».

Напомним: на Западе в 1990-х началась серия экспериментов, подобных «Биосфере-2», у которых был ряд менее масштабных советских аналогов вроде того же БИОС-3. Все они, как и более поздний «Марс-500», были призваны выявить различные медицинские, психологические и технические аспекты длительного пребывания человека в неестественной среде, напоминающей ту, что складывается во время дальних космических перелётов. При этом выяснилось, что ряд аспектов жизнеобеспечения человека в космосе в опробованном виде просто не может нормально функционировать длительное время в замкнутой среде, без подпитки извне.

В 1975-м НАСА надеялось спланировать основные параметры корабля для колонизации ближнего космоса, то есть о внешней подпитке речь не шла. В ходе исследования специалисты управления выяснили ряд нетривиальных вещей. Во-первых, уже тогда было ясно, что в невесомости все 10 тыс. обитателей вечно держать нельзя. Поэтому было решено сделать станцию вращающейся — для создания псевдогравитации. Во-вторых, обеспечение газового баланса рассматривалось как проблема №1, и ей было уделено особое внимание, с рядом необычных выводов. Наконец, пространство, необходимое для размещения 10 тыс. колонистов, было спланировано гораздо щедрее, чем в более поздних экспериментах, и сделали это не от широты американской души, а по вполне практическим соображениям.

Материалы были выбраны, разумеется, несложные: алюминиевый сплав для внешней конструкции, ткани и пластики для внутреннего интерьера. Правда, в отношении последних было рекомендовано предпринять исследования по созданию таких полимеров, которые выглядели бы как «естественные материалы» — камень и дерево. Почему алюминий? Состав лунных пород, известный уже тогда, говорил о наличии на Луне больших запасов анортозита — минерала, содержащего алюминий. Чтобы не транспортировать бóльшую часть материалов с Земли, космическое поселение предлагалось разместить в точке L5, предельно близко к Луне. А добытый на ней анортозит перерабатывать прямо в строящейся колонии, после сооружения первого производственного модуля.

Материал же продиктовал и многие особенности конструкции: одна большая сфера сразу отпала, потому что герметизированный объем в этом случае оказался бы непропорционально большим. А ведь именно герметичные части колонии требовали бы стенок наибольшей прочности и массы. Весовая экономия также заставила снизить требования к атмосфере. Выяснилось, что для станции с большим внутренним объёмом масса атмосферы составит огромную часть общего веса — до 88 тыс. т. С опорой на имевшиеся тогда медицинские данные было рекомендовано снизить атмосферное давление до 0,5 атм, повысив содержание кислорода, углекислого газа и понизив — азота. В этом случае требовалось всего 44 т атмосферы, а главное — снижались прочностные требования к герметизированным отсекам, что позволяло уменьшить массу самой конструкции колонии до 150 тыс. т. В этом варианте собственно станция весила бы менее 200 тыс. т, что даёт 20 т веса на одного человека. Для сравнения следует отметить, что та же МКС имеет около 417 т массы на 6 космонавтов, то есть почти 70 т массы на человека. Одной из главных причин такого весового совершенства проекта 1975 года, кроме эффекта масштаба, назовём поддержание на МКС давления в 1 атм, вынуждающее иметь прочную и тяжёлую оболочку.

Уже тогда было ясно, что, помимо мочекаменной болезни и известных трудностей у женщин, невесомость вызывает ряд заболеваний, из которых мышечная дистрофия не самое большое зло. Значит, корабль должен вращаться. Но лишь по его краям будет существовать аналог тяготения, центральные же области останутся без псевдогравитации. Следовательно, сферическая и цилиндрическая формы корабля неприемлемы: слишком много места нельзя использовать полноценно. Главное: сферический герметизированный корабль должен иметь огромную площадь прочных и тяжёлых стенок, способных выдержать давление атмосферы. Идеальной формой корабля должен быть тор (или гантеля), с двумя большим сферическими модулями, соединенными тонкой перемычкой. При этом вскрылась неожиданная проблема: такой тор должен быть очень и очень большим, диаметром до 1,8 км (для 10 тыс. жителей). Гантеля, впрочем, была бы ещё больше, поэтому выбор остановили на торе.

Космическая колония в период постройки (вверху) и после герметизации и заселения (внизу). Огромное значение придано психологической комфортности: предусмотрены даже декоративные водоёмы и солнечное освещение через прозрачные крыши с алюминиевыми жалюзи.

Это вытекало из серьёзных требований к внутреннему пространству, заложенному разработчиками концепт-проекта: по мнению исследовательской группы, для обеспечения длительной (годы и более) психологической устойчивости колониста требовалось не менее 50 кв. м только жилья (!) и ещё по 15–17 кв. м герметизированных обеспечивающих площадей (энергетический блок и т. п.). Всего площадь герметизированного объёма станции оценивалась в 670 тыс. кв. м. Что интересно, давалась настойчивая рекомендация размещать гидропонные растения «интегрированно», внедряя их в общий пейзаж отдельными «пятнами». Дело было не только в заботе о психике экипажа: при неограниченном времени пребывания на орбите поломка тех или иных систем вентиляции рассматривалась как вполне вероятная. А значит, естественное восполнение кислорода и эвакуация углекислого газа становилась обязательной для устойчивого жизнеобеспечения.

Самое пристальное внимание уделялось защите от космической радиации. По мнению авторов работы, доза в 0,5 бэр в год является максимально допустимой для длительного пребывания людей и электроники на орбите. Поэтому активный вариант защиты придётся отвергнуть: магниты, создающие искусственное магнитное поле, съедят слишком много энергии. Магнитное поле для защиты от частиц с энергиями до 0,5 ГэВ потребует аппаратуры весом около 10 тыс. т. И всё равно доза облучения при этом превысит 20 бэр в год на человека. Нужная же по мощности защита будет очень тяжёлой и энергозатратной.

Поэтому, как ни странно, была выбрана пассивная защита, с требуемой массой в 4,5 т на кв. м наружных стенок тора. Правда, в применении ко всей колонии это означает 9,9 млн т, что исключало доставку пассивного щита такой мощности с Земли. Однако, поскольку колония нацеливалась на разработку астероидов, оттуда же предполагалось доставить и материал щита. При этом сам щит был бы размещён вокруг тора без придания вращения, что, в свою очередь, означало необходимость зазора в 1-2 м между вращающимся тором и неподвижной защитой.

Сразу отметим: доза в 0,5 бэр в год, принятая разработчиками, очень низка. Даже современная транзисторная электроника может работать при в десятки раз большей годовой дозе радиации. По нынешним представлениям и нормам, космонавт (а также работник АЭС) в год без вреда может получать до 5 бэр, что десятикратно больше. Авторы и сами отмечают, что будущие исследования могут поднять дозу приемлемого излучения, и это не только сократит вес защиты, но и сможет вернуть актуальность её активному варианту. Особенно эффективными в этом случае они называют кольцевидные каналы (по периметру тора колонии) с плазмой, удерживаемой магнитами и поддерживаемой ими же в движении, для генерации магнитного поля, которое будет отталкивать частицы с энергией до 1 ГэВ. Разработчики также отметили, что если космической колонии такого рода предстояло бы совершать путешествия на значимые расстояния и с большими скоростями, то активная защита стала бы единственным возможным выходом: ведь барьер из астероидного материала, даже рассчитанный на ежегодное облучение космонавтов в 5 бэр, весил бы 990 тыс. т — впятеро больше самой колонии. А значит, передвигать его было бы практически невозможно — по крайней мере экономически.

Кстати, об экономике. Суммарная стоимость столь масштабной колонии должна была составить $190 млрд в ценах 1975 года. Поэтому период окупаемости достигался лишь через 28 лет непрерывного функционирования. И только потом намечалась прибыль. В сегодняшних деньгах это примерно равно американскому годовому военному бюджету. Правда, авторы исследования предлагали построить станцию примерно за десятилетие. Так что расходы на неё в случае реализации в наше время составили бы где-то одну десятую военных затрат США. Конечно, сомнительно, что какое-то государство в ближайшие столетия потратит десятую часть своего военного бюджета на космос. Поэтому для НАСА концепт космической колонии так и остался концептом.

Разумеется, планы Planetary Resources, по меньшей мере в первое время, не будут столь же масштабными. Однако без создания заводов, неизбежно требующих человеческого присутствия хотя бы для ремонта и наладки оборудования, в конечном счёте не обойтись. Надёжность работы роботизированной техники на внеземных планетных телах общеизвестна, достаточно вспомнить историю с «Хаябусой». Но даже если завод Planetary Resources будет намного меньше проекта 1975 года, основные решения для такого рода колонии в целом представляются очень близкими.

Словом, несмотря на древность проекта, он может стать существенным подспорьем для нового претендента на космические богатства.

Подготовлено по материалам проекта Space Settlements: A Design Study.