В прошлом году Джефф Безос запустил себя в космос, а Илон Маск финансировал космический полет для экипажа, не являющегося космонавтами. Космическое сотрудничество между правительством и частными организациями, включая SpaceX Маска и Blue Origin Безоса, становится все более распространенным явлением. Однако с недавним появлением так называемого движения "Новый космос" аэрокосмические компании работают над созданием недорогого доступа в космос для всех, а не только для миллиардеров.
Но для будущего за пределами Земли людям потребуются места для размещения домов, зданий и других сооружений, чтобы миллионы людей могли жить и работать. Пока что космические города существуют только в научной фантастике. Но на сколько реалистичны космические города? И если да, то как мы сможем их построить?
Согласно новому исследованию ученых из Рочестерского университета, наше будущее может быть связано с астероидами. В документе, который они считают "дико теоретическим", исследователи излагают план создания больших городов на астероидах. Опубликована работа была в рецензируемом журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences, а в число ее авторов входят Адам Франк, профессор физики и астрономии Хелен Ф. и Фред Х. Гоуэн, и Питер Миклавчич, кандидат технических наук в области машиностроения и первый автор статьи.
И хоть их работа существует где-то на грани науки и научной фантастики, она достаточно интересна. Ученые взяли научно-фантастическую идею, которая была очень популярна в последнее время и предложили вполне реалистичный концепт — новый способ использования астероида для строительства города в космосе.
Не первая попытка
В 1972 году NASA поручило физику Джерарду О'Нилу спроектировать космическую среду обитания, которая могла бы позволить людям жить в космосе. О'Нил и его коллеги разработали план "цилиндров О'Нила", вращающихся космических мегаполисов, состоящих из двух цилиндров, вращающихся в противоположных направлениях, со стержнем, соединяющим цилиндры на каждом конце. Цилиндры будут вращаться достаточно быстро, чтобы создать искусственную гравитацию на их внутренней поверхности, но достаточно медленно, чтобы люди, живущие в них, не испытывали укачивания.
С тех пор телешоу и фильмы, включая "Звездный путь" и книги, изображали цилиндрические среды обитания О'Нила, населенные людьми. И Безос, и Маск ссылались на цилиндры О'Нила в своих представлениях о будущих космических средах обитания. Однако, в то время как цилиндры О'Нила предлагают решение проблемы отсутствия гравитации в космосе, доставка необходимых строительных материалов с Земли в космос для создания цилиндров О'Нила была бы сложной и непомерно дорогостоящей.
Скучающие ученые и астероид
Во время пандемии COVID-19 и карантина Миклавчич, Франк и несколько студентов и коллег из Рочестера, рассмотрели эту загадку создания рентабельных цилиндров О'Нила. Этот проект начинался как способ для физиков и инженеров выпустить пар, на время отвлечься от мирских забот и представить что-то сумасшедшее. Однако вскоре они обнаружили, что могут кое-что понять: можно ли использовать астероиды для создания цилиндров О'Нила?
Астероиды — это твердые тела, вращающиеся вокруг Солнца, оставшиеся после образования Солнечной системы примерно 4,6 миллиарда лет назад. По оценкам ученых, в нашей Солнечной системе путешествует около 1000 астероидов размером более одной мили в поперечнике. Все эти летающие горы, вращающиеся вокруг солнца, могут обеспечить более быстрый, дешевый и эффективный путь к космическим городам. Помимо их обилия в Солнечной системе, астероиды имеют много других преимуществ для проживания людей, в том числе слои горных пород, которые обеспечивают естественный щит от смертоносного космического излучения Солнца.
Но исследователи обнаружили, что у астероидов есть несколько серьезных недостатков: порода, из которой состоят астероиды, недостаточно прочна, чтобы выдержать даже одну треть земного притяжения за счет вращения. Как только астероид будет приведен во вращение, он просто расколется и сломается. Более того, большинство астероидов представляют собой даже не сплошные скалы, а "кучи щебня" — скопления рыхлых валунов, камней и песка, удерживаемых вместе слабым взаимным космическим притяжением. Если исследователи хотели сделать из этих астероидов космическую среду обитания, им пришлось бы выяснить, как работать с грудами щебня.
Исследования одного из участников научной группы сосредоточены на зернистых системах — системах, состоящих из множества мельчайших частиц, таких как песок или зерно. В частности, он изучает, как эти системы реагируют на условия с низкой гравитацией или без нее. Например, как космические вездеходы могут столкнуться с зернистыми поверхностями планет и рассеять их, когда они приземлятся.
Ученые провели расчеты сил, материалов и стратегий строительства поселений на вращающихся астероидах и предложили идею сдерживания обломков, которые неизбежно возникнут в результате формирования цилиндра О'Нила из астероида. Так какое они нашли решение? Очень большая, очень гибкая сумка.
Исследователи представляют себе покрытие астероида гибким сетчатым мешком, сделанным из сверхлегких и высокопрочных углеродных нановолокон — трубок из углерода, каждая из которых составляет всего несколько атомов в диаметре. Мешок будет охватывать и поддерживать всю вращающуюся массу обломков астероида и среду обитания внутри, а также поддерживать собственный вес при вращении.
Рабочая концепция
Теоретически процесс возведения основы космического города, по планам ученых, может проходить примерно так:
- Астероид будет вращаться для создания искусственной гравитации. Этот процесс неизбежно приведет к распаду астероида.
- Кусочки обломков астероида будут отбрасываться наружу, расширяя мешок из углеродных нановолокон, окутывающий астероид.
- Когда мешок достигает своего максимального размера, углеродные нановолокна туго натягиваются, захватывая расширяющиеся обломки.
- Когда щебень осядет на мешок, он создаст достаточно толстый слой, чтобы защитить от радиации всех, кто живет внутри. Вращение цилиндра вызовет искусственную гравитацию на внутренней поверхности.
Основываясь расчетах ученых, астероид диаметром 300 метров размером всего в несколько футбольных полей может быть расширен до цилиндрической космической среды обитания с жилой площадью около 57 квадратных километров. Это чуть больше половины Великого Новгорода!
Жизнь внутри астероидов до сих пор является причудой научной фантастики, но авторы работы говорят, что физика и механика существуют для того, чтобы сделать научную фантастику реальностью. Очевидно, что в ближайшее время никто не будет строить города на астероидах, но технологии, необходимые для создания такого рода инженерных сооружений, не нарушают никаких законов физики.
Все, что ученые представляют в своем исследовании — от двигателей, необходимых для раскрутки астероида, до сумки из углеродного нановолокна — это технологии, которые люди в настоящее время либо используют, либо разрабатывают.
Идея астероидных городов может показаться слишком далекой, пока вы не поймете, что в 1900 году никто никогда не летал на самолете, но прямо сейчас тысячи людей удобно сидят в креслах, преодолевая барьеры со скоростью сотни километров в час, на в нескольких километрах над землей. Космические города сейчас могут показаться фантастикой, но история показывает, что примерно столетие технического прогресса может сделать невозможное возможным.