Финский ученый рассчитал реальный срок строительства обитаемого мегаспутника на орбите Цереры

Похоже, что человечество совсем близко подошло к тому моменту, когда сможет выпрыгнуть из своей астрономической колыбели и начать экспансию в космосе. По крайней мере, это вполне возможно при современном уровне развития науки и техники. А первая полноценная внеземная колония может появиться в течение трех десятилетий, причем не на Луне или Марсе, а около карликовой планеты Цереры.

К такому выводу пришел финский астрофизик, астробиолог и изобретатель Пекка Янхунен (Pekka Janhunen). Свои умозаключения он подробно описал в статье, опубликованной на портале arXiv.org. Пекка работает в Финском метеорологическом институте, Университете Тарту (Эстония) и финской компании по производству компактных спутниковых платформ Aurora Propulsion Technologies. Он считает, что Церера — практически идеальный кандидат на звание первого рубежа человечества в ходе колонизации Солнечной системы.

Безусловно, фанаты сериала «Пространство» (и книг, на которых он основан) тут могут обрадоваться — аналогичным образом происходило освоение космоса во вселенной этого произведения. Однако если в фантастике люди прорыли сеть туннелей под поверхностью Цереры и раскрутили ее, чтобы сымитировать центробежной силой гравитацию, то Пекка предлагает более разумный вариант. Количество энергии для ускорения вращения карликовой планеты слишком велико, чтобы такую операцию провернуть. К тому же, придется спекать всю поверхность, дабы вещество с нее попросту не разлетелось в космос.

Почему именно Церера

Финский ученый считает, что гораздо практичнее было бы воспользоваться Церерой, как источником материалов для строительства орбитальной базы. Эта карликовая планета богата всем, что нужно человечеству: водой, азотом, углеводородами и железом. Вода требуется для жизни сама по себе, а еще из нее можно получить кислород (для дыхания и в качестве окислителя ракетного топлива) и водород (топливо). Азот — инертный газ, которым дополняется кислород при создании атмосферы, а к тому же на его основе производятся удобрения. Ну а углеводороды с железом послужат строительными материалами.

Благодаря малой силе тяжести на поверхности Цереры, подъем грузов с нее требует малых затрат энергии. Более того, ускорение свободного падения, составляющее всего 3% от земного, делает совершенно реальной постройку орбитального лифта с применением сегодняшних материалов и технологий. Основываясь на известных данных о карликовой планете и ряде научных работ по поводу реалистичных технологий космического производства, Пекка даже приходит к заключению, что на Церере не понадобится разворачивать какое-либо сложное производство. Разве что первичную очистку руды, например — все остальные манипуляции с материалами выгоднее будет проводить прямо на орбите.

По проекту финского ученого, с высоты в 1024 километра, где заканчивается космический лифт, грузы должны доставляться на орбиту в 100000 километров. Но столь большая разница в пройденных расстояниях не должна никого смущать: благодаря все той же низкой гравитации Цереры, на дальнейший подъем потребуется всего 20 метров в секунду приращения скорости. Ну а необходимую энергию для подъема смогут вырабатывать огромные солнечные батареи на противовесах космического лифта.

Трехмерная модель мегаспутника Цереры. Сверху и снизу видны многосекционные зеркала, а в центральной части — обитаемые модули с вращающимися цилиндрами внутри

И ее увеличенный фрагмент

Что строим

Исполинская конструкция на орбите карликовой планеты будет состоять из типовых цилиндрических модулей. Внешние «бочки» — неподвижные, выполняют роль противометеоритной и радиационной защиты. «Крышки» на их торцах оснащены окнами для пропускания солнечного света и магнитные подшипники для внутренних цилиндров посередине. Самое интересное — за ними.

В каждой «бочке» на одной оси находятся два внутренних цилиндра диаметром в километр и длиной пять. Для компенсации всех возможных возмущений они вращаются в противоположные стороны. На их торцах, помимо системы двигателей, размещены зеркала, на которые падает проходящий сквозь окна в защите свет. Внутри эти вращающиеся цилиндры двухъярусные.
 

Общая схема мегаспутника на орбите Цереры (на в масштабе). Основная идея всей конструкции — легкая масштабируемость за счет модульности. Любой элемент можно нарастить в соответствии с потребностями растущего населения. Высокая орбита (100000 километров) выбрана неспроста. Она будет стабильной, но при этом станция не подвергнется воздействию приливных сил, что позволит здорово сэкономить на стали

Схема конструкции светопропускающих окон и увеличенный фрагмент. На рисунке a) показан один модуль мегаспутника с фокусирующими зеркалами по бокам отнего. b) — увеличенный фрагмент места примыкания «крышки» к «бочке» внешнего защитного корпуса. Окна устроены так, чтобы регулировать освещенность разных областей внутреннего цилиндра, имитируя смену освещенности в зависимости от времени суток. Основной поток света обращен в «сельскую» зону (rural), тогда как «городская» освещается искусственными источниками

На обратной стороне внешней стенки находится первый обитаемый слой — сельский. Его поверхность устлана полутораметровым слоем плодородного грунта, на котором могут расти деревья и сельскохозяйственные культуры. Сила тяжести здесь создается на уровне земной и сюда же отражают свет зеркала в торцах конструкции. В пятидесяти метрах ближе к оси вращения находится городской уровень. Большая часть людей живет и работает именно тут, где сила тяжести уже 0,81 земной.

Пекка кропотливо проработал множество прочих тонкостей: вопрос выработки энергии, экономии ресурсов и что делать, если Церера окажется не столь богата нужными соединениями. Детализация плана поражает.

Таких «бочек» с двумя обитаемыми цилиндрами внутри может быть очень много — десятки или даже сотни. Они объединяются в мегаконструкцию, похожую со стороны на исполинскую двухстороннюю пудреницу. «Крышки» — это зеркала, концентрирующие солнечный свет на торцы обитаемых модулей. Более всего интригует время постройки такого фантастического сооружения: 22 года. Как подсчитал Янхунен, именно за такой срок, с момента прибытия подготовленной к работе экспедиции на Цереру, удастся собрать первый функционирующий цилиндр.

Сколько это будет стоить

Говоря о стоимости столь фантастического проекта, бесполезно пытаться подсчитать требуемую валюту. Это, как минимум, бессмысленно без понимания всей бизнес-модели начинания. Однако у физиков есть свое, гораздо более научное мерило — затраченная энергия. И, как ни странно, у финского визионера получились вполне реалистичные цифры. Чтобы поднять с поверхности Цереры килограмм груза на орбиту высотой 100000 километров потребуется всего около 134 килоджоулей энергии (с Земли на высоту 100 километров — не менее 11 мегаджоулей). Для простоты эксплуатации можно использовать паровые ракеты, набрав воды с поверхности и испаряя ее.

Отдельный вопрос: как получить материалы нужного качества для конструкции. По подсчетам финского ученого, на постройку одного цилиндра потребуется 484 тонны стали. Чтобы выплавить килограмм этого металла нужно 20 мегаджоулей — Пекка взял среднее значение между несколькими технологиями. Путем простой калькуляции можно подсчитать, что солнечных батарей МКС (максимальная мощность 120 киловатт) хватит, чтобы выполнить такую работу за три года. Иными словами — фантастики нет, было бы желание, цель и финансирование.

Характеристики одного модуля мегаспутника с двумя вращающимися обитаемыми цилиндрами внутри: радиус обитаемого объема — 1 километр, его длина — 10 километров, диаметр параболических отражателей — 4,4 километра, расчетное население — 56700 человек, обитаемая площадь — 114 квадратных километров (по 2000 квадратных метров на человека), гравитация в «городском слое» — 81% земной, выработка электроэнергии — 6,26 киловатт на человека (7 ватт на квадратный метр «города»), период обращения — 66 секунд, рассеяние энергии — 156 киловатт на человека, тепловой поток — 141 ватт на метр квадратный, ширина светопропускающих окон — 137 метров, инсоляция -  5 солнечных.

Расчет массы одного модуля мегаспутника с двумя вращающимися обитаемыми цилиндрами внутри, вместимостью 56700 человек: защита (внешняя неподвижная оболочка) — 6712 тонн, почва и биосфера — 2481 тонна, структурные элементы (в основном, сталь) — 484 тонны, воздух — 96 тонн

Есть ли шанс на воплощение

Безусловно, Янхунен не учел множества нюансов в своей статье — все-таки, в первую очередь он исследовал вопрос реалистичности постройки станции. Сложности поддержания биосферы внутри цилиндров, обеспечения строителей первичными ресурсами и налаживания транспортных коммуникаций с Землей ученый оставил для других работ. Однако даже в таком виде публикация финна заслуживает внимания, поскольку, на первый взгляд, в ней нет фундаментальных ошибок.

Идеи строительства колоний в космосе витают в самых разных умах давно, но сейчас они стали как никогда близки. Один из участников «новой космической гонки» — мультимиллиардер Джефф Безос — стремится именно к такому будущему. По его мнению человечество обязано начать жить на станциях, подобных описанной Янхуненом. Возможно, глава Blue Origin держит в уме примерно такую же картину. И мы увидим начало строительства базы около Цереры уже до середины XXI века. Во всяком случае, эта карликовая планета заслуживает внимания не только с научной точки зрения: уж слишком на ней много полезных для колонистов ресурсов, чтобы разбрасываться столь выгодными местами.