Цилиндърът на О'Нийл и сферата на Дайсън: мегаструктури за колонизиране на космоса?

Kalpana One, модерна и малко по-реалистична версия на цилиндъра O'Neill © Bryan Versteeg
В космоса всичко има начало и край. От генезиса до заключението, за което не знаем почти нищо, звездите следват своя жизнен цикъл, от молекулярния облак до черната дупка за най-масивната и нашето Слънце очевидно не е освободено от този програмиран край.
Признавайки, че Човечеството все още съществува от няколкостотин милиона години, нашите потомци ще трябва да се справят с огромното предизвикателство на междузвездната колонизация! Потенциална, научна фантастика или очакване, това не пречи на учените да разгледат вече изследването на теоретична колонизация отвъд Слънчевата система.

Програмираният край на звездите

Неизбежно изчерпвайки запасите си от гориво чрез явление на ядрен синтез, чрез трансформиране на водорода в хелий в ядрото си, нашето скъпо жълто джудже, без което животът на Земята никога не би се появил, ще се превърне в червен гигант, когато ще бъде на възраст около 10 милиарда години. В този момент обитаемата зона на нашата Слънчева система няма да бъде същата като днес и животът на Земята просто ще бъде невъзможен.
Нашето Слънце, безкрайно мъничко в сравнение със звезди като UY Scuti (най-голямата известна звезда във наблюдаваната вселена), също ще преживее програмирания си край © НАСА
Въпреки това, нашата звезда, в момента на 4,6 милиарда години, ще се завърне Земя, която не може да се живее много преди размерът му да се умножи(като ни погълне в процеса). По време на настоящия си цикъл, светимостта на Слънцето се увеличава със 7% на всеки милиард години. В най-лошия сценарий животът на Земята може да изчезне в рамките на 500 милиона години поради драстичното покачване на температурите. Докато няколко вида, включително бактерии и други вируси, все още могат да устоят на няколкостотин милиона години, човечеството наистина ще бъде унищожено, много преди океаните буквално да се изпарят.
Може да подозирате, но този катастрофален сценарий не отчита явлението глобално затопляне, чиито сериозни последици едва започваме да виждаме. Днес основните причини за глобалното затопляне са консенсус в научната общност: антропогенно форсиране (емисии на парникови газове, обезлесяване), за разлика от естественото форсиране (слънчево и вулканично) и както подсказва името му. , поради човешки дейности.
Ако най-амбициозната мечта на Илон Мъск или на НАСА е в близко бъдеще да стъпи на Марс , все пак ще е необходимо да се премести и колонизира регионите много по-далеч, за да остави надежда за оцеляване на човечеството.когато Слънцето подпише нашата смъртна заповед или когато Човек е причинил собствената си загуба.
Изглежда ли ви много невероятно и се основателно се съмнявате в способността на Homo sapiens да се справи с такова предизвикателство? Но наблюдавайки Луната, Галилео представял ли си е Нийл Армстронг? Какво би си помислил Хипократ, баща на медицината, с око в микроскоп, обърнат към клетъчния свят, или ядрена медицина?
В мащаба на Вселената е минало малко време от каменната ера до съвременната ера и нейните индустриални общества, до дигиталната революция и човечеството все още има много хилядолетия това, което изследователите наричат ​​"суперцивилизация",с други думи цивилизация, която е достигнала много високо ниво на технологично развитиеи което по този начин е в състояние да предприеме междузвездна колонизация .

От фантастика до наука

В началото на XIX ^-ти век, технологичния напредък , свързан с първия голям индустриалната революция дълбоко променя лицето на обществото и стимулира въображението . По този начин футуристичните прогнози, базирани на напредъка на науката, бързо намериха място в литературата, особено се мисли за предшествениците на научната фантастика, които са Жул Верн и Х. Г. Уелс. Ако SF е призната като литературен жанр сам по себе си в средата на XX ^-ти век, много автори ще си представят света и бъдещи технологии ; Подобно на произведенията на Верн, голям брой концепции, илюстрирани в тези произведения на SF, ще бъдат реализирани впоследствие.
Днес SF е неразделна част от нашата култура, благодарение на литературата, но също така и особено на киното и напоследък с видеоигрите. Художниците черпят вдъхновение от напредъка на науката, докато науката редовно се храни с техните живи въображения . Мобилни телефони и таблети, гласови асистенти, клониране на животни, автономни автомобили, хуманоидни роботи, междупланетни пътувания, изкуствен интелект или дори добавена реалност, всички тези концепции и технологии (и много други) за първи път видяха бял свят под форма на фантастика , в киното, с филми като Star Trek, Minority Report, Terminator или, напоследък, I-Robot.

Връзките между художествената литература и науката понякога са близки и пространствената колонизация е вездесъща тема в трудовете на SF. Както току-що видяхме, космическата колонизация не е просто фантазия, на която държавните агенции и частните участници искат да се отдадат на атмосфера на конкуренция; тя може да зависи от устойчивостта на цивилизацията.
Двете концепции за мегаструктура , които ви представяме днес, бяха пряко вдъхновени от произведения на научната фантастика и един ден биха могли да бъдат ключовият камък за междузвездната колонизация .

Сфера на Дайсън: улавяне на енергията на звезда

Концептуализирана от известния физик Фрийман Дайсън чрез статия в списание Science през 1960 г., сферата на Дайсън е хипотетична и изкуствена мегаструктура, която може да бъде създадена около звезда в опит да възстанови по-голямата част от енергия, която произвежда.
Фрийман Дайсън през 2009 г. © Юджийн Ричардс
Тази идея за изкуствена биосфера е вдъхновена от четенето на романа "Създател на звезди" от Олаф Стейпълтън и неговите "светлинни капани". По това време търсенето на извънземен живот беше в разгара си и програмата SETI(Търсене на извънземен интелект) се ражда, тъй като е постигнат голям напредък в радиоастрономията и НАСА се готви да изпрати екипаж на Луната за първи път. Това раздвижване, както и значителните бюджети, посветени по това време за изследвания и завладяване на космоса, ще стимулират цяло поколение учени, включително Фрийман Дайсън. По този начин
Дайсън искаше да провери с научен поглед привлекателната идея, разработена в романа на Стейпълтън, която ще позволи на напредналата цивилизация да задоволи силните си енергийни нужди, като улови цялата или голяма част от излъчената енергия. не неговата звезда. Тази идея започва от много проста предпоставка:приемайки, че търсенето на енергия и материали се увеличаваза технологична цивилизация тя един ден в друг неизбежно ще изчерпва енергийния потенциал на собствената си планета и няма да има друг избор, освен да се обърне към своята звезда.

Откриване на сферите на Дайсън

Дайсън вярва, че този подход може да бъде и част от отговора на парадокса на Ферми да се чудим, за да се опита да разбере защо Вселената мълчи толкова . Всъщност, сред хипотезите, които ни позволяват да отговорим на това голямо мълчание, в допълнение към възможните трудности при извършване на междузвездни пътувания, недостигът на интелигентен живот или фактът, че извънземните цивилизации могат да изчезнат, преди да са достигнали напреднал етап, Дайсън също така предизвиква факта, че последният не би могъл да има нужда да колонизира Вселената от момента, в който успее да достигне до почти неограничен източник на енергия, чрез изграждане на една или повече сфери на Дайсън. Въпреки всичко, ако aзвезда, "капсулирана" в сфера на Дайсън, не се открива във видимия спектър, сферата ще бъде откриваема благодарение на инфрачервеното лъчение, подобно на това на черно тяло.
След първата формулировка на Дайсън, обозначаваща твърда и куха „обвивка“, затваряща звезда, други разновидности на сфери на Дайсън бяха концептуализирани по- специално, за да отговорят на критиките относно механичната стабилност на такъв обект. По този начин са предвидени общо три типа сфери на Дайсън , този от тип I, чиято куха и затворена обвивка би позволила да се улови почти цялата енергия, излъчвана от звезда, и би могла да бъде обитаема; този от тип II, който се състои от aрояк, съставен от много голям брой независими слънчеви колектори , решение, което изглежда по-реалистично; този от тип III, наречен балон Дайсън, ще бъде съставен от „ статити “ (свиване на думите статичен и сателит), които ще използват слънчеви платна като прототипа, вдъхновени от Карл Сейгън, Lightsail, за да плуват неподвижно спрямо звездата.

Сфера на Дайсън в Млечния път?

Тази концепция, разбира се, е много интересна за изследване на технически подписи , но изненадва и учудва повече, когато знаем, че Фрийман Дайсън вярва, че Човечеството може да успее да улови цялата енергия на Слънцето благодарение на такава структура оттук. 2500 години!
Разчитайки на скалата на Кардашев - метод за класификация на цивилизациите спрямо тяхното енергийно потребление и технологично ниво - Дайсън изчислява, че едно общество може да достигне до тип 2 от тази класификация само за 2500 години, и двете че годишният му икономически растеж не пада под 1%. Цивилизация тип 2 съответства на напреднало общество, способносъбира енергийната мощност, излъчвана от звездата му . През 1973 г. Карл Сейгън преразглежда тази скала, постулирайки, че тогава човечеството е цивилизация от тип 0.7 .
В момента това титанично начинание изглежда малко шантаво, особено след като ще е необходимо да се демонтира еквивалентът на газообразна планета като Юпитер, но също така и тераформиращи планети като Марс и Венера. Въпреки всичко, съвременните технологични разработки, особено с бързото развитие на роботиката, изкуствения интелект и нанотехнологиите, сочат към светло бъдеще за завладяването на космоса. Други хипотетични концепции като сондата на Фон Нойман, космически кораб, способен да се възпроизведе, използвайки материали, открити на място, може да отговори на гигантските нужди за изграждането и сглобяването на сфера на Дайсън.

Цилиндърът на О'Нийл: колонизиране на Слънчевата система

Другарят и приятел на Фрийман Дайсън, О'Нийл също се интересуваше много от въпроса за възможна колонизация от човек в междупланетното пространство .
Теоретизиран през 1977 г. в книгата си „Високата граница: Човешки колонии в космоса“ („Градовете на Космоса“, във френското му издание), цилиндърът О’Нийл е концепция за космическо местообитание, резултат от съвместна работа между Жерар О'Нийл и неговите ученици в Принстън още през 1969 г. През 1974 г. той вече публикува статия, озаглавена " Колонизацията на космоса " в списание Physics Today, в която описва няколко иновативни решения за колонизиране на Слънчевата система,по-специално чрез развитиемега-инфраструктури .
Джерард К. О'Нийл преподава в Принстън © Таша О'Нийл
Ако можем да мислим, че О'Нийл е вдъхновен и от романа на Стейпълтън, който описва обитаеми структури, изградени около звезди, но също и пръстени екстериори, в които живее живот, най-накрая е цилиндричен вариант на концепция, вече предложена през 1929 г. от Джон Дезмънд Бернал , британски физик, и взета отново през 1954 г. от германския учен Херман Обърт . Въпреки това, малко преди публикуването на неговата книга, ние откриваме този тип структури (с извънземен дизайн) в романа на Артър К. Кларк, Рандеву с Рама.

Подобни условия на живот на Земята

С помощта на своите ученици обаче О'Нийл ще популяризира и прокара тази концепция малко по-напред. Той си представя всъщност три различни типа пространствени местообитания , наречени острови .
По този начин Island One се състои от въртяща се сфера с диаметър 512 метра. Тази структура може да побере 10 000 жители в своя екваториален регион. Концепцията на остров две е подобна, с изключение на това, че е с диаметър 1,6 км. След това идеята е подхваната по време на лятното проучване на НАСА през 1975 г., водено от О'Нийл, в което Станфордският университет предлага алтернативна версия - Станфордския Торус.- съставен от един или два тора, използващи центробежна сила за осигуряване на гравитация, подобна на тази на Земята.
И накрая, еталонната концепция, Island Three, е това, което днес познаваме като цилиндър O'Neill . Той е много по-голям от другите два модела, тъй като се състои от двойка противоположно въртящи се цилиндри, всеки с дължина 32 км и диаметър 6 км.
Двойка цилиндри на O'Neill © Rick Guidice / NASA Ames Research Center
Всеки цилиндър в тази огромна структура има шест резена с еднаква площ, простиращи се по цялата дължина на цилиндъра. Три от тях са обитаеми, докато останалите три са прозрачни повърхности, които позволяват на слънчевата светлина да влезе. За извършване на селскостопански дейности е монтиран външен пръстен с диаметър 32 км, въртящ се с различна скорост . И накрая, промишлените производствени единици за проектиране на жилища ще бъдат разположени в центъра на тази структура, за да се сведе до минимум тежестта за определени промишлени дейности.
Както виждаме, О'Нийл и неговите ученици са измислили всичко тук за евентуална колонизация на космоса, концепция, която се харесва и на известен Джеф Безос. Способен да побере няколко милиона жители, цилиндърът на О'Нийл вижда оста си винаги насочена към Слънцето, първо с цел да отговори на неговите енергийни нужди, но и за да получи светлината в себе си. Трите прозрачни филийки, видове прозорци, ще бъдат оборудвани с огледала, за да отразяват светлината , както и да симулират нощта .
Вътрешен изглед на цилиндър на О'Нийл и неговите парчета жизнено пространство и редуващи се огледала © Rick Guidice / NASA Ames Research Center
За да осигури стабилност, сякаш за да симулира земна гравитация, О'Нийл предвиждаше да постави конструкцията на нивото на точките на Лагранж ; цилиндрите ще трябва да се въртят в противоположно въртене 28 пъти на час, за да отменят всеки жироскопски ефект и по този начин да осигурят на обитателите изкуствена гравитация . И накрая, обемът на бутилките би бил достатъчен за повече или по-малко точно възпроизвеждане на атмосфера със собствени метеорологични условия , като същевременно предлага защита срещу космическото лъчение и неговите лъчения.
Вътрешен изглед на цилиндър на О'Нийл, показващ кривината на вътрешната му повърхност © Don Davis / NASA Ames Research Center

Възможни концепции в близко бъдеще?

Редовно вдъхновяващ света на научната фантастика, като филма Interstellar или известната поредица от видеоигри Mass Effect, със своята Цитадела, концепцията за цилиндъра на О'Нийл (и тази на сферата на Дайсън ) в момента остава на един от най-подходящите и практически предложения , когато говорим за дългосрочна колонизацията на космоса и голям мащаб.
Въпреки че емблематичният основател на SpaceX, Илон Мъск, все още е далеч от това да бъде убеден от подобен проект, твърдейки, че няма смисъл за него, цилиндърът на О'Нийл изглежда за мнозина разумна идея в сравнение с колонизацията на други планети от Слънчевата система, където Човекът, крехък,трудно ще се установи.
Подобно на много други преди него, като Карл Сейгън, основателят на авиокосмическата компания Blue Origin, Джеф Безос , беше спечелен от идеята за колонии, описана от О'Нийл. Докато Безос оттогава признава, че изграждането на тези селища би било предизвикателство извън всичко, което хората са успели да постигнат досега, той вярва, че следващото голямо предизвикателство в космоса ще бъде използването на ресурси. налични в космоса за изграждане и поддържане на структури там .

Този поглед към бъдещето на космоса очевидно далеч не е безсмислен: НАСА и ЕКАследователно сериозно обмислят използването на in situ ресурси за следващите си мисии до Луната. Освен това, ако тези агенции постигнат такъв пробив, който би направил възможно да се предвиди автономно човешко присъствие на Луната, ясно е, че това е и един от капиталните елементи за хипотетично изграждане на мегаструктура като напр. 'сфера на Дайсън или колония О'Нийл.
Днес тези проекти изглеждат недостижими, измислени, дори напълно безумни, като изявленията на Мъск. Ако обаче изглежда сигурно, че никога няма да ги видим приживе, те биха могли да напуснат полето на научната фантастика и да станат реалност в рамките на няколко века! Подобрени и по-малко обемисти версии също може да се появят в относително близко бъдеще. Kalpana One , хибриден дизайн, вдъхновен от цилиндъра O'Neill, сферата на Bernal и Torus на Stanford изглежда, в нашия мащаб, много по-реалистичен.


А вие, мислите ли, че човек един ден ще може да изгради такива структури в космоса?