Межзвездный ковчег

«Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели», – писал Константин Циолковский еще в начале ХХ века. Сегодня ученые все чаще говорят о том, что рано или поздно людям придется покинуть Землю и отправиться на поиски нового дома.

В фантастических книгах и фильмах экипажи межзвездных кораблей обычно погружаются на время полета в анабиоз. Удобно: долгий путь для них пролетает как одно мгновение. Однако, если примерить эту ситуацию к реальности, сразу возникают несостыковки. Что случится с космическим судном за годы полета? Сможет ли оно само себя чинить и восстанавливать при необходимости, смогут ли системы безопасности учесть все факторы риска и обойти препятствия? Что, если технологии, обеспечивающие анабиоз космонавтов, откажут, как в недавнем фильме «Пассажиры», герои которого проснулись на 90 лет раньше назначенного срока? Сколько бесценных научных данных никогда не получит человечество, если отказаться от экспериментов во время полета в пользу сна? 

Возможно, подобные вопросы и заставили людей задуматься о том, как преодолеть безграничные космические просторы, не засыпая. Можно применить «вахтовый метод»: например, каждый год несколько космонавтов пробуждаются и берут на себя контроль за состоянием корабля. Через год их сменяют следующие. Но что если к моменту отправки экспедиции человечество так и не найдет способ безопасного погружения в долгий сон-анабиоз? Ведь пока эти эксперименты находятся лишь на начальной стадии. 

Результатом таких дискуссий стали проекты «кораблей поколений». Это судно для межзвездных путешествий со скоростью, значительно меньшей, чем скорость света. Такой корабль должен будет провести в полете тысячи лет. За это время первые колонисты состарятся и умрут, их место займут потомки. Этот сценарий многократно повторится, прежде чем экспедиция прибудет в пункт назначения. 

Один из самых известных проектов кораблей поколений был создан на основе «Ориона». Этот «взрыволет» (ядерно-импульсный корабль) разрабатывали в США в середине ХХ века. Двигаться он должен был за счет серии ядерных зарядов, приводимых в действие на небольшом расстоянии позади корабля. Часть продуктов взрыва ударяла в «хвост» космического судна, где массивная плита-отражатель принимала энергию на себя и с помощью системы амортизаторов передавала ее кораблю. Масштабы проекта Energy Limited Orion Starship поражают воображение: диаметр корабля составлял 20 километров. По расчетам разработчиков, это судно могло бы добраться до ближайшей к нам звездной системы Альфа Центавра за 1330 лет. Размеры судна вполне позволяли разместить на нем самый настоящий корабль поколений – по сути, небольшой космический город. Однако NASA сделало ставку на более дешевые проекты, и «Орион» так и остался теорией. 

Однако, если бы все пошло по-другому, смогли бы мы отправить первых колонистов в космос уже сегодня? Увы, нет. Концепция корабля поколений решает многие теоретические проблемы долгих космических перелетов – и создает ряд новых проблем. Узнаем, с какими трудностями могут столкнуться корабли поколений и что нужно учесть, отправляясь к далеким звездам.

Куда летим?

Сторонники космической колонизации делятся на две группы: кто-то создает проекты терраформирования Марса, а кто-то уверен, что найти новую Землю можно лишь у других звезд. Исследователи экзопланет подтверждают, что за пределами Солнечной системы можно отыскать подходящее для жизни космическое тело, хотя это и непросто. 

Для удачного переселения важно, чтобы найденная планета во многом напоминала Землю. Нужны приемлемая для земной жизни температура и вода в жидком состоянии. Звезда, вокруг которой вращается планета, должна вести себя как можно «спокойнее» – частые и интенсивные вспышки вызывают резкие скачки температуры. Поток заряженных частиц от звезды может повредить атмосферу планеты, а со временем «сдуть» практически всю газовую оболочку. Возможно, в Солнечной системе так произошло с Меркурием. 

Участок пространства вокруг звезды, в котором на планетах может быть жидкая вода, называют зоной обитаемости. Это некая «средняя» зона планетной системы. Планеты в ней расположены не слишком далеко от звезды, они получают достаточно энергии для того, чтобы вода не замерзала. Но при этом они не должны находиться и слишком близко к звезде – вода может испариться. В англоязычной литературе этот участок называется «зона Златовласки» в честь сказки о девочке, попавшей в дом к трем медведям. Пока зверей нет дома, она решает немного поспать и поочередно ложится на три кровати: одна слишком жесткая, другая чересчур мягкая, а третья – в самый раз. 

Казалось бы, мы тоже можем просто «перебрать» все планеты в определенной системе и выбрать подходящую. Увы, нам подойдут далеко не все планеты в зоне обитаемости: на них возможна жидкая вода, но все остальные условия на поверхности такой планеты могут оказаться невыносимы для землян. 

Летом 2016 года астрофизики Европейской южной обсерватории объявили об открытии ближайшей к Земле экзопланеты. Она вращается вокруг Проксимы Центавра – ближайшей к Солнечной системе звезды – и теперь носит название Проксима Центавра b. По оценкам ученых, она располагается в зоне обитаемости своего светила и вполне может обладать жидкой водой. Ни одна из известных климатических моделей этому не противоречит. Но называть Проксиму Центавра b нашим новым домом еще рано. Она находится куда ближе к своей звезде, чем Земля к Солнцу, и эффекты, вызванные таким соседством, могут оказаться непредсказуемыми. 

Свежее открытие начала 2017 года – семь экзопланет у холодного красного карлика TRAPPIST-1 в созвездии Водолея. Все планеты по размерам схожи с Землей. Гипотетически на всех семи планетах может быть жидкая вода, но с наибольшей вероятностью ее можно найти на планетах TRAPPIST-1e, f, и g. Астрофизики предполагают, что новые телескопы – например, Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп, который начали строить в Чили в 2014 году, – смогут точно показать, есть ли вода на этих планетах. 

Главное, что даже ближайшая к Земле экзопланета все равно находится на огромном расстоянии от нас. До нее 4,24 световых года – чтобы пройти этот путь, существующим космическим аппаратам даже без учета времени на разгон и торможение потребуются десятки тысяч лет. Для сравнения, до планет вокруг TRAPPIST-1 около 40 световых лет. Технологии развиваются, но расстояния в космосе по-прежнему кажутся бесконечными. Это заставляет вновь и вновь задумываться о таких проектах, как корабль поколений.

Двигатели будущего

Но, может быть, все-таки есть способ пройти эти расстояния быстрее? Возможностей существующих космических аппаратов явно недостаточно, но новые разработки идут постоянно. Один из самых впечатляющих проектов – солнечный (фотонный) парус. Он использует давление света на зеркальную поверхность. В Солнечной системе парус может работать за счет солнечного света, и такая технология уже существует. В 2010 году в космос отправился японский аппарат IKAROS (англ. Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). Он снабжен квадратным парусом со стороной 14 метров, состоящим из четырех «лепестков». На них закреплены солнечные батареи. Задача IKAROS заключалась в том, чтобы успешно раскрыть солнечный парус и двигаться с его помощью, и с этим японский аппарат справился в полной мере. Однако давление солнечного света сравнительно небольшое, поэтому для выхода за пределы нашей системы придется использовать иные источники. Существуют проекты разгона такого устройства с помощью лазера. У солнечного паруса есть неоспоримые плюсы: он не требует топлива и сам по себе может быть сравнительно легким. Однако пока для запуска межзвездного парусника у человечества недостаточно ресурсов. Потребуются очень мощные лазерные установки высокой точности либо принципиально новое решение этой проблемы. 

Другой уже существующий перспективный двигатель – ионный. Его рабочим телом служит ионизированный инертный газ (аргон, ксенон) или ртуть. Ионизированное вещество разгоняется в электростатическом поле до очень высоких скоростей. Система извлечения положительных ионов «вытягивает» их из вещества и выбрасывает в пространство, обеспечивая движение. Ионные двигатели использовались в аппаратах Hayabusa (в 2010 году доставил на Землю образцы грунта астероида Итокава) и Dawn (запущен в 2007 году для исследования Весты и Цереры). 

Такой двигатель достигает большого удельного импульса и малого расхода топлива. Недостаток современных ионных двигателей – крайне небольшая тяга, поэтому такой корабль не сможет стартовать с Земли, строить его придется за пределами планеты.

Еще одна интересная концепция – межзвездный прямоточный двигатель Бассарда. Корабль, оснащенный таким двигателем, захватывает вещество межзвездной среды (включая водород) с помощью «воронки» мощного электромагнитного поля. Диаметр воронки должен составлять тысячи, а то и десятки тысяч километров. Собранный водород используется в термоядерном ракетном двигателе корабля. Это обеспечивает топливную автономность судна. 

Увы, у такого двигателя тоже есть немало технических ограничений. Его скорость не так уж высока, потому что при улавливании каждого атома водорода корабль теряет определенный импульс, и компенсировать это за счет тяги можно только на сравнительно небольшой скорости. Чтобы преодолеть это ограничение, нужно найти способы как можно более полного использования захваченных атомов. 

Общество на борту

Сколько людей могут отправиться в межзвездную экспедицию? Оценки экспертов отличаются в разы. И это несмотря на то, что большинство из них оптимистично оценивают продолжительность полета в сотни, а не в тысячи лет. В 2002 году антрополог Джон Мур из Университета Флориды предположил, что для создания стабильной популяции для полета продолжительностью 200 лет достаточно населения небольшой деревни – около 160 человек. При этом жестокой «социальной инженерии», как в антиутопиях, не потребуется, основой космической колонии станет привычная нам семья. У каждого будет около десятка подходящих партнеров для брака. Даже сегодня – при, казалось бы, бесконечном выборе – большинство людей не превышает этого числа партнеров, если говорить о долгих отношениях. 

Однако в таких небольших популяциях существует опасность сокращения генетического разнообразия. Оно может сокращаться и постепенно, и неожиданно – например, в случае опасной инфекции экспедиция столкнется с «эффектом бутылочного горлышка», при котором численность популяции резко падает, а затем понемногу восстанавливается. Генофонд беднеет, и это отражается на потомках тех, кто пережил катастрофу. В животном мире этот эффект повлиял на генетическое разнообразие гепардов – предполагается, что когда-то смогли уцелеть всего несколько особей. Вид оказался на грани вымирания, сейчас в дикой природе по всему миру живут всего около 7000 гепардов. Из-за долгого близкородственного скрещивания они не отличаются стойкостью к заболеваниям, а в дикой природе большая часть детенышей не доживает до года. 

Еще одна угроза для колонистов – «эффект основателя». Он возникает, когда новую территорию заселяет небольшое количество представителей определенного вида. Они не сохраняют весь генофонд исходной популяции, поэтому тоже могут столкнуться с проблемой постепенного сокращения генетического разнообразия. 

Антрополог Кэмерон Смит из Портлендского государственного университета в 2013 году подсчитал: чтобы справляться с этими угрозами на протяжении 150 лет полета, нужны десятки тысяч людей. По его оценкам, стабильной популяции нужны около 40 000 человек, из них как минимум 23 500 – детородного возраста. Впрочем, колония может быть и меньше, если в ее распоряжении достаточно большой банк эмбрионов.

Космос в подвале, космос в пустыне

Конечно, все эти важные вопросы надолго останутся лишь теоретическими. Сегодняшние технологии не в состоянии отправить человека к соседним звездам, и это еще долго будет нам не под силу. Но исследования, в перспективе способные приблизить космическое будущее, в том числе и корабли поколений, идут уже несколько десятков лет. 

Один из самых известных типов таких экспериментов – создание замкнутых экосистем. Пассажиры корабля поколений проживут в нем тысячи лет, поэтому колония должна быть полностью самодостаточна: помощи ждать неоткуда. Пригодится этот опыт и при освоении новой планеты. Проекты по созданию замкнутых систем начались в 1970-х, вскоре после высадки человека на Луну. 

В СССР в 1968–1972 годах был построен «БИОС-3». Ученые Красноярского Академгородка создали в подвале Института биофизики герметичное помещение размером 14×9×2.5 м и объемом около 315 м³, состоящее из четырех отсеков. «Каюты экипажа» и оборудование занимали всего один из них, в остальных работали камеры-фитотроны для выращивания растений и культиваторы микроводорослей. Использовались особые сорта: например, специально выведенная карликовая пшеница с укороченным стеблем. В «БИОС-3» провели 10 экспериментов, самый долгий длился 180 дней. Участникам удалось создать полностью замкнутую систему потребления газа и воды. Питанием они обеспечивали себя на 80%. 

В начале 1990-х прошел, пожалуй, самый известный эксперимент по созданию закрытой системы – «Биосфера-2». Комплекс из нескольких зданий и оранжерей на площади около 1,5 га возвели в Аризоне. Внутри смоделировали несколько природных зон: тропические заросли, саванна, мангровые леса и даже океан. В «Биосфере-2» обитали около 3000 видов растений и животных. В команду проекта вошли восемь человек – поровну мужчин и женщин. Они поддерживали работу техники, обеспечивающей циркуляцию воды и воздуха, занимались натуральным хозяйством и проводили различные опыты. 

Первый этап эксперимента длился два года. За год «колонисты» смогли наладить производство продуктов: в первые месяцы люди постоянно ощущали голод. Позже они адаптировались к новому рациону, и многие показатели здоровья участников по итогам эксперимента улучшились, например, снизилось давление. Самой большой проблемой стало падение уровня кислорода. Участница проекта Джейн Пойнтер вспоминает: «Когда теряешь много кислорода, – а у нас его уровень значительно упал, он опустился с 21% до 14,2%, – чувствуешь себя ужасно. <...> Ты просыпаешься, хватая ртом воздух, потому что состав крови меняется. Во сне ты перестаешь дышать, потом наконец вдыхаешь и просыпаешься. Это ужасно раздражает. А снаружи все были уверены, что мы умираем». 

Считается, что уровень кислорода начал падать, потому что микроорганизмы «Биосферы-2» размножались активнее, чем ожидалось. То же происходило и с насекомыми. Уничтожать их с помощью ядохимикатов было запрещено: это могло нарушить баланс искусственной биосферы. В итоге организаторам проекта пришлось пойти на фальсификацию данных: внутрь системы закачали недостающий кислород. Когда об этом стало известно, на участников эксперимента обрушилась критика. Но уровень кислорода по-прежнему падал, даже несмотря на поставки газа снаружи, и ровно через два года после начала первый этап проекта прекратили. В целом эксперимент был признан неудачным. Но не стоит умалять значение таких экспериментов. Во-первых, они показывают множество «подводных камней» в расчетах, помогают создавать более реалистичные модели. Во-вторых, эти проекты напоминают: для колонизации космоса нужны не только мощные двигатели. Чтобы когда-нибудь добраться до других планет, человечеству потребуются самые разнообразные знания и умения.

Бунт на корабле?

Участников тысячелетних экспедиций ожидает множество трудностей. Часть проблем связана с окружающей средой: например, разрушительное воздействие космической радиации. Она может способствовать развитию рака, поражению костного мозга, нарушениям в иммунной системе. Поэтому, отправляясь в космос, необходимо как следует защитить себя. Понадобятся системы прогнозирования радиационной обстановки, учитывающие множество параметров. Основная задача – определить меру вреда для здоровья и постоянно соблюдать баланс. Колонистам неизбежно придется пойти на риск, а конструкторам кораблей – найти способ уместить на корабле защитные элементы, не жертвуя полезной нагрузкой. 

Не меньшую опасность представляют, как ни странно, морально-этические сложности. В космос отправятся люди, искренне преданные своему делу, верящие в необходимость покорить другие планеты. Но смогут ли их потомки сохранить эту веру и захотят ли? Что, если представители «промежуточных» поколений однажды почувствуют себя запертыми в высокотехнологичной космической тюрьме? Этика должна найти ответ на эти вопросы, иначе проблем не избежать. 

Последствия непредсказуемы: от пессимизма и апатии экипажа до открытых конфликтов. В замкнутом пространстве корабля непонимание отцов и детей или идеологические споры приобретут катастрофический масштаб. Это подтверждает история той же «Биосферы-2». Когда стало ясно, что уровень кислорода неумолимо падает, экспериментаторы разделились на две группы. Одни хотели немедленно покинуть «Биосферу», другие – во что бы то ни стало довести проект до конца. Рассказывают, что конфликт разгорелся до такой степени, что многие бывшие участники эксперимента до сих пор не разговаривают друг с другом. А ведь они провели в замкнутой системе всего два года! 

Итак, пока человечество только начинает путь к звездам. Потребуется еще множество исследований, чтобы создать жизнеспособные проекты самодостаточной космической колонии и надежного межзвездного корабля.