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.
Снимок карликовой планеты Церера, сделанный исследовательским зондом Dawn. Карликовая планета — отличный источник ресурсов, к тому же не создающий проблем своей массой или атмосферой. Колониям на Марсе или Луне постоянно придется мириться с колоссальными затратами на вылет из «гравитационного колодца». Но есть проблема: для полета к Церере требуется чуть больше энергии, чем до Красной планеты / ©NASA, JPL-Caltech, UCLA, MPS, DLR, IDA
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 / ©Pekka Janhunen, Terraforming the dwarf planet: Interconnected and growable Ceres megasatellite world, arXiv:2011.07487 [physics.pop-ph]
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.
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.
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 / ©Pekka Janhunen, Terraforming the dwarf planet: Interconnected and growable Ceres megasatellite world, arXiv:2011.07487 [physics.pop-ph]
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.
