Колонизация космоса: Церера, Марс или цилиндры Кларка?

У нас уже есть корабли, пригодные для колонизации других планет. Однако целый ряд необычных проблем, связанных с покорением космоса, указывает, что куда проще заселить его принципиально иным способом: вообще не высаживаясь на другие небесные тела. Но на практике Вселенную будут заселять не самым практичным образом и не так, как хочет Илон Маск (через колонизацию планет), – кажется, землянам придется совместить оба пути. Naked Science попробует разобраться, как именно это все будет выглядеть.

Зачем нужна космическая колонизация

Мы живем в эпоху, которую известный публицист и бывший работник NASA Роберт Зубрин называет «антигуманистической» – то есть наполненной представлениями о том, что человечество суть антиприродная, хаотическая и неприятная сила, ломающая «естественный ход вещей» (будто возникновение человека – не часть этого «хода»). В рамках такой концепции, в последние полвека набравшей массу сторонников, космическая колонизация не имеет смысла. Если человек – зло, то какой смысл распространять его на новые миры?

Менее радикальные носители подобных взглядов формулируют свое неприятие колонизации космоса более мягко.

Вот их типичные тезисы:

1. Человеку не надо в космос, пока он не навел порядок дома, на Земле.

Этот пункт не стыкуется со всей историей нашего вида. Мы покинули Африку 200 тысяч лет назад, когда никакого порядка там и близко не было. Нет его там и сегодня, но это никак не помешало покинувшим ее людям создать развитую цивилизацию. Она могла бы и не случиться, будь тогдашние африканские охотники-собиратели поклонниками идеи «нам не надо покидать Африку, пока мы не наведем в ней порядок». То же самое следует сказать про неоднократную колонизацию разными человеческими популяциями Нового Света или Австралии.

Считается, что такими же стрелами и луками бушмены в Африке пользовались 40 тысяч лет назад. Несмотря на нехватку прогресса на родине человечества, вряд ли можно отрицать, что решение заселить новые земли за пределами Африки было более чем разумным. / Фото: wikipedia.org

2. Освоение космоса потребует ресурсов, которые могли бы решить земные проблемы.

Никаких проблем с общим количеством материальных ресурсов на сегодня на Земле нет. Голод и нищету испытывают страны с дефицитом вменяемых управленческих кадров и вытекающими из него гражданскими войнами и беспорядками. Сколько ни дай им международной помощи, решить проблему голода и бедности там это не позволит – не было еще ни одной страны, где это удалось сделать подобным образом. Напротив, из бедности устойчиво можно выбраться только своими усилиями. И никакая международная помощь их никогда не заменит. Жители России легко могут вспомнить гуманитарную помощь из девяностых, которая так никогда и не избавила их страну от затяжной депрессии девяностых: выход из нее обеспечили совсем иные процессы.

Наконец, осваивать космос будут не государства Африки или другие страны с острой нехваткой материальных ресурсов, а США и им подобные – то есть государства, где нет ни голода, ни какого-либо желания вкладывать космические суммы в благотворительность на других континентах. Нет никакого выбора «потратить деньги на освоение Марса или на Африку». В реальности США тратят на военный, например, бюджет несопоставимо больше, чем на космос, и уж куда больше (на порядки), чем на помощь бедным государствам мира. В жизни есть выбор скорее между «США потратят сотни миллиардов долларов на освоение Марса» и «США потратят дополнительные сотни миллиардов долларов на военные нужды». Первый вариант, как ни крути, выглядит разумнее.

3. Колонизация космоса все равно не нужна, ведь космические колонии не смогут выжить в случае коллапса на Земле.

Этот тезис достаточно легко опровергается фактами: современные технологии позволяют человеку выживать в любой среде, где он имеет достаточно энергии для получения кислорода (электролизом воды и гидропоникой), растительной пищи (гидропоника) и материалов для производства машин (металлосодержащие породы). Марс покрыт триллионами тонн замороженной воды, грунта, пригодного для выращивания растений, и все того же грунта, содержащего железо и алюминий. С доступом к энергии на Марсе всё в порядке и при нынешнем уровне развития технологий. Следовательно, колония в таком месте уже при населении в десятки тысяч человек вполне может выжить после коллапса цивилизации на третьей планете нашей системы.

Кратер Королева на Марсе находится за местным северным полярным кругом. Стенки кратера защищают водный лед от лучей Солнца, поэтому здесь скопилось не менее 2,2 триллиона тонн воды – и подобных мест на Марсе много. Есть запасы водного льда и близ экватора, в крупной системе каньонов / Фото: wikipedia.org

4. На нашей планете полно слабозаселенных мест – например, Антарктида или Сахара. Почему бы сперва не колонизировать их?

Дело в том, что колонизируемый объект можно сделать обитаемым – то есть пригодным для хождения по нему в обычной повседневной одежде и нормальной экономической жизни. С Антарктидой и Сахарой все намного сложнее. Да, в теории человечество может поднять мировые температуры на несколько градусов, а при таком сценарии Антарктида и Сахара вновь станут зелеными, как в предшествующие теплые периоды земной истории. Но на практике это нереально: глобальное потепление считается экологически сознательными гражданами злом – и с ним активно борются. Поэтому мы, люди, технологически готовы сделать теплым и пригодным для земледелия Марс (примерно 150 миллионов квадратных километров), но ни Сахару, ни Антарктиду (менее 20 миллионов квадратных километров). Так уж устроено наше сознание.

Итак, мы рассмотрели основные возражения противников колонизации космоса и убедились, что они не слишком основательны. Но каковы аргументы «за» такую колонизацию? Основной вот какой: на дистанции в десятки миллионов лет с Землей обязательно происходят ужасные события: те, что убили динозавров (меловое вымирание) и дальних предков млекопитающих (еще более крупное Великое вымирание). Космическая колония явно повысит шансы нашего вида на выживание.

Второй главный аргумент в пользу колонизации: она, как и любая большая нагрузка, дает огромный шанс в развитии. Попав из Африки в Евразию, наши предки были вынуждены резко изменить образ жизни – со временем даже создать города и цивилизацию. В Африке все это возникло на многие тысячи лет позже не случайно: новая среда обитания и новые проблемы заставляют активнее шевелиться. Решение проблем, неизбежных при колонизации космоса, не даст нашему виду закоснеть в своей нынешней, немного слишком приятной и расслабляющей «зоне комфорта».

Похоже, в колонизации есть смысл. Но какой именно она должна быть?

Космическая колонизация: что не так с планами Маска

Сегодня ключевая реалистичная сила, стоящая за космической колонизацией, – Илон Маск. Самый богатый человек мира решительно настроен создать в космосе способную поддерживать себя колонию и столь же твердо считает, что ею может стать только Марс.

Плюсы четвертой планеты как объекта колонизации мы уже описывали: там присутствуют вода и азот, связанный грунтом и подлежащий высвобождению. Есть потенциал для подъема температуры до уровня современной земной. Да, это займет века, но в итоге колонистов будет ждать 150 миллионов квадратных километров обитаемой суши, покрытой растительностью, – примерно столько же ее на Земле.

Однако в планах Маска существуют и колоссальные минусы, о которых он пока либо не думал, либо просто умалчивает. Восполним этот пробел одним словом: биология.

В 2016 году эксперимент на китайском спутнике SJ-10 показал, как влияет космос на развитие эмбрионов мышей. Оно шло хуже, чем на Земле, и вероятность выживания такого эмбриона после его пересадки самке невелика. Причем дело не только в радиации, от которой легко экранироваться, но и в гравитации: опыты по созданию микрогравитации в земных лабораториях тоже продемонстрировали ухудшение параметров мышиных эмбрионов. Возможно, именно в этом объяснение и того факта, что крысы в космических экспериментах пока не смогли размножиться.

Мышиные эмбрионы в космосе показали не очень хорошую динамику развития. / Фото: popmech.ru

Гравитация на Марсе — всего 38% земной. Конечно, с одной стороны, это значит, что вы легко сможете прыгнуть там на несколько метров в длину, но вот размножению млекопитающих, похоже, малая гравитация добавляет сложностей.

Для противодействия негативным эффектам пониженной гравитации в России испытывают мини-центрифуги, в которых люди смогут спать, компенсируя нехватку силы тяжести днем. Их использование позволяет не опасаться деградации мышц и связанного с ней остеопороза – последствий длительной низкой гравитации.

Но что делать, если пара запланировала детей? Сажать женщину на девять месяцев в мини-центрифугу и не выпускать ее оттуда? Даже если она это спокойно перенесет – решение не блестящее. Для полноценного протекания беременности самой беременной надо нормально двигаться и не находиться в бедной стимулами среде. Вряд ли такую можно обеспечить в центрифуге три четверти года подряд.

Вывод: колонизация Марса, за которую так ратует Илон Маск, трудно совместима с выращиванием там детей. А без детей любая колония – тем более самоподдерживающаяся – обречена. Возить женщин для зачатия и родов на Землю будет долго, дорого и сложно: после марсианской дневной гравитации им все равно потребуется период адаптации к родной планете.

А не замахнуться ли нам на Цереру – раз уж с Марсом такие проблемы?

Недавно финский исследователь Пекка Янхунен (Pekka Janhunen) предложил вместо Марса совсем другое место для колонизации: орбиту вокруг карликовой планеты Церера. Само по себе это тело не очень хороший кандидат: меньше тысячи километров в диаметре, гравитация в 2,8% от земной, ноль атмосферы и даже солнечного света там в 7,8 раза меньше, чем на орбите Земли (Церера в 2,8 раза дальше нас от Солнца).

Но что, если, задумался финский ученый, построить на ее орбите разновидность цилиндров Кларка (более корректное название – цилиндры O’Нила)?

Частично прозрачный цилиндр O’Нила изнутри в представлении художника. Вверху Солнце закрыто проходящим между ним и цилиндром диском Земли. / Фото: alternathistory.com

Сама концепция цилиндра O’Нила у финна та же, что у автора идеи, изложившего ее в отдельной книге еще в 1976 году. Берем два крупных цилиндра – километровых размеров – и ставим их друг рядом с другом. В точках соединений (их две, у двух концов обоих цилиндров) используется что-то типа гигантского подшипника на магнитных полях. За счет этого в подшипнике нет трения и износа. А сам подшипник нужен, чтобы упростить постоянную ориентацию обоих цилиндров на Солнце – иначе вращение начнет их «кувыркать».

Вращаться же цилиндрам надо, чтобы создавать центробежную силу внутри: фактически такой цилиндр – центрифуга гигантских размеров. Около стенок цилиндра ощущаемая сила тяжести будет земной, в центре – нулевой, плавно нарастая к краям.

Пара таких цилиндров, вращающихся в противоположные стороны, в представлении художника / Фото: me.reactor.cc

Это позволит иметь весь набор нужных уровней тяготения. Хотите поразвлечься с невесомостью или перевезти грузы из одной части цилиндра в другую – пожалуйте в центр цилиндра. Нужны силовые упражнения или спокойные зачатие и беременность – живите ближе к краю.

Цилиндры O’Нила – гигантские космические колонии, которым нужно большое количество воды. Ее логичнее всего хранить во внешних стенках цилиндра, поскольку вода отлично задерживает любую радиацию. Часть можно потратить на общественные аквариумы, в которых между звездами и планетами снаружи и людьми внутри будут плавать экзотические рыбы. Кстати, сразу за «водяными стенками» целесообразно расположить вертикальные фермы с гидропоникой, выращивающей еду и поглощающей углекислый газ.

У цилиндров O’Нила есть немало пока гипотетических модификаций. Одна из них, в представлении художника, на картине выше: стэнфордский тор. Здесь от цилиндра оставлен только внешний тор: так практически все герметизированное пространство получает земной уровень тяжести. / Фото: wikipedia.org

За счет изолирующих внешних слоев космическая радиация в цилиндрах будет на уровне земного фона. А благодаря вращению цилиндров, земной станет и гравитация.

Пекка Янхунен подчеркивает: низкая гравитация Цереры при таком сценарии из недостатка станет преимуществом. На Земле «космический лифт» – подъем материалов по тросу, заякоренному на геостационарном спутнике – нереален, ибо тросов в 36 тысяч километров, способных выдержать земную гравитацию, просто нельзя создать. На Церере гравитация слабее в десятки раз: лифт с небольшими затратами энергии поднимет с ее поверхности все, что нужно.

Люди стоят на внутренней стенке цилиндра – она служит полом в условиях центробежной силы, заменяющей собой силу тяжести. Каждый следующий от «пола» уровень – с меньшей силой тяжести. / Фото: wikimedia.org

Как нам известно из исследований последних лет, на Церере есть соли, много азота, больше воды, чем в иных земных океанах, и еще много всего. Добыть металлы в Главном поясе астероидов, где она находится, – вовсе не проблема, ведь многие астероиды металлические.

На первый взгляд, Янхунен предлагает космический рай. Простой способ построить идеальную внеземную колонию с минимальными затратами материалов и средств. Но есть нюанс, а точнее – сразу два.

Почему именно Церера, и отчего мы не найдем желающих жить в янхуненском раю?

Так почему — Церера? Там же в восемь раз меньше света, чем на орбите Земли. Чтобы компенсировать это, Янхунен предлагает построить концентрирующие солнечный свет космические зеркала.

У Цереры нет магнитного поля, поэтому вокруг населенных цилиндров придется разместить «болванки»: не населенные и не вращающиеся цилиндры, призванные лишь ослабить космическую радиацию и снизить толщу воды и почвы в стенках населенных цилиндров. Ведь если радиации кругом меньше, то и защитный слой может быть тоньше.

Поверхность таких цилиндров изнутри в представлении художника. За счет центробежной силы почву и даже водоемы на внутренних стенках будет «прижимать» к полу так же сильно, как это происходит на Земле из-за действия силы тяжести. / Фото: artstation.com

Но что, если цилиндр O’Нила/Кларка/Янхунена построить на орбите Земли? Внешние защитные цилиндры тут не нужны: от радиации на низких орбитах защищает магнитосфера. Концентрирующие свет зеркала не потребуются. Чтобы слетать на Землю (или землянину совершить турполет в цилиндр), нужны часы, а не месяцы, как при размещении колонии на орбите Цереры.

Разумеется, близко нет астероида с дешевыми материалами. Но рядом есть Луна, где гравитация в шесть раз ниже земной, а водного льда как минимум сотня миллиардов тонн. Кстати, развитие систем типа Starship позволит не так уж дорого доставлять ресурсы и с Земли.

Цилиндры будут освещаться Солнцем круглый год, одинаково сильно в любой сезон. Поэтому они смогут получать нужное им количество энергии от солнечных батарей – без, опять же, зеркал-концентраторов, как у Цереры. Психологически колонисту будет много проще поселиться там, откуда он видит Землю и Луну. Причем потенциально может слетать к любой из них относительно быстро.

Второй, и более важный вопрос. Что будет делать человек в цилиндре Пеккунена? Что на орбите Цереры, что на орбите Земли – ответ на него не слишком очевиден.

С точки зрения разработчиков из NASA, с целью максимальной психологической комфортности пейзажей внутри цилиндров там имело смысл воспроизводить не только водоемы, но и иные привычные элементы земного пейзажа – вплоть до подвесных мостов. / Фото: polymus.ru

Да, теоретически на орбите в 400-450 километров вокруг нашей планеты можно разместить хоть десять тысяч цилиндров километрового диаметра, высотой, допустим, в пять километров каждый и средней высотой уровня в пять метров (чтобы потолки не давили на психику). В общественных парках ее можно сделать хоть 50 метров, а в жилых уровнях – 2,5-3,0 метра. Это даст примерно 800 квадратных километров внутри каждого цилиндра, а поскольку их будет 10000 – 0,8 миллиона квадратных километров. Если цилиндры на орбите разместить в сто рядов – будет 80 миллионов квадратных километров с идеальным ровным климатом. Считай, вторая Земля. Есть куда направить избыток населения.

Вот только на Земле нет никакого дефицита места или ресурсов. Более того, известно, что уже скоро ее население начнет сокращаться, а обитаемая площадь – расти. Тот же Маск справедливо отмечает, что крупнейшим вызовом человечеству в XXI веке будет реальная и жесткая нехватка людей для экономики, а вовсе не их избыток, выдуманный не слишком информированными публицистами.

Так зачем нам строить такие цилиндры? Может, чтобы пережить возможную планетарную катастрофу типа Великого вымирания?

Что же, цилиндры на орбите, разумеется, переживут любое событие такого рода на нашей планете. Но что заманит туда людей до этой катастрофы? Какие цели, кроме абстрактного желания жить там, где нет ветра, естественной биосферы и возможности гулять в лесу? Конечно, там можно разместить НИИ, которые будут изучать влияние невесомости на разные организмы или развитие крупных замкнутых биосфер. Но это никак не массовая колонизация.

В случае заселения Марса цели более ясны. Во-первых, с высокой долей вероятности там найдут простейшую жизнь. Ее поиски и изучение – как и огромных подземных пещер Марса или гигантской системы его каньонов – это огромные по масштабу цели как минимум научного характера. Наконец, Красная планета может быть терраформирована на горизонте в сотни лет. Это великая цель, придающая смысл существованию даже довольно большой человеческой колонии.

Гибридная колонизация?

И все-таки такие цилиндры не стоит сбрасывать со счетов. Вернемся к колонизации того же Марса. Да, будущим марсианкам не стоит зачинать и вынашивать детей при 0,38 земной гравитации. Но что мешает им и мужьям месяца за три до зачатия отправиться на орбитальный цилиндр на марсоцентрической орбите? Они смогут родить ребенка там и уже потом решать, растить его на орбите или спуститься вниз. Гибрид цилиндра для деторождения на орбите и планетарной колонии внизу способен сделать Марс действительно устойчивой самоподдерживающейся колонией.

При этом у нее не будет недостатка в добровольцах: жизнь в развитых обществах Земли зачастую достаточно бесцельна, и многие люди проживают ее скорее в поисках выдуманной (модой, или ими лично) цели, нежели с полным использованием своих способностей в каком-то действительно важном деле. На Марсе искать такие дела много проще: перед поселенцами окажется целая планета, ждущая переделки, возврата к древнему состоянию «молодого, теплого и влажного Марса», столь интригующего планетологов.

Оранжерея на Марсе в представлении художника / Фото: new-science.ru

У цилиндров есть и другая полезная особенность: с них будет намного проще отправлять исследовательские корабли к другим объектам Солнечной системы – от Цереры до Титана. Ведь для взлета с цилиндра не нужно преодолевать даже марсианскую силу тяжести.

Наконец, опыт длительного проживания в цилиндрах O’Нила может пригодиться и в другой ситуации. Допустим, человечество не изобретет в ближайшие сто лет двигателей, позволяющих исследовать и колонизировать другие звездные системы с околосветовыми скоростями. Однако, как мы уже писали, у нашего вида уже более полувека есть средство для полета к ближайшим звездам за десятки и сотни лет.

Цилиндры многокилометровых размеров – идеальные кандидаты на роль крупных колонизационных кораблей. Просто заменив их солнечные батареи на атомные реакторы-размножители, можно будет отправить их в путешествие в соседнюю систему. На борту будут готовая защита от радиации, огромный запас воды и отлаженные десятками лет практической эксплуатации замкнутые биосферы.

Собственно, нечто подобное изобразил Артур Кларк в романе «Свидание с Рамой»: там цилиндр размером 16 на 50 километров в районе стенок имеет пресное море («дном» служат внешние стенки цилиндра) с живыми существами-обитателями (и обслуживающими их роботами). Ничто не мешает и землянам создать такой колонизационный корабль, способный лететь многие столетия или даже тысячелетия. В этом случае даже на существующем технологическом уровне мы могли бы получить средство заселения других планетных систем — даже если пока нам это и не нужно.