Цилиндр О'Нила и сфера Дайсона: мегаструктуры для колонизации космоса?

Kalpana One, современная и немного более реалистичная версия цилиндра О'Нила © Брайан Верстег.
В космосе всему есть начало и конец. От генезиса до заключения, о котором мы почти ничего не знаем, звезды следуют своему жизненному циклу, от молекулярного облака до самой массивной черной дыры, и наше Солнце, очевидно, не освобождается от этого запрограммированного конца.
Признавая, что человечество существует уже несколько сотен миллионов лет, нашим потомкам придется принять грандиозный вызов межзвездной колонизации! Перспективы, научная фантастика или предвкушение, это не мешает ученым уже изучать теоретическую колонизацию за пределами Солнечной системы.

Запрограммированный конец звезд

Неизбежно истощая свои запасы топлива из-за явления ядерного синтеза, превращая водород в гелий внутри своего ядра, наш дорогой желтый карлик, без которого жизнь на Земле никогда бы не появилась, превратится в красного гиганта, когда ему будет около 10 миллиардов лет. На данный момент обитаемая зона нашей солнечной системы не будет такой, как сегодня, и жизнь на Земле будет просто невозможна.
Наше Солнце, бесконечно крошечное по сравнению с такими звездами, как UY Scuti (самая большая из известных звезд в наблюдаемой Вселенной), также испытает свой запрограммированный конец. © НАСА
Однако наша звезда, которой в настоящее время 4,6 миллиарда лет, вернется Земля непригодна для жизни задолго до того, как ее размер умножится(поглощая нас в процессе). Во время текущего цикла яркость Солнца увеличивается на 7% каждые миллиард лет. В худшем случае жизнь на Земле может исчезнуть в течение 500 миллионов лет из-за резкого повышения температуры. Хотя некоторые виды, в том числе бактерии и другие вирусы, все еще могут противостоять нескольким сотням миллионов лет, человечество действительно будет истреблено задолго до того, как океаны буквально испарились.
Вы можете подозревать это, но этот катастрофический сценарий не принимает во внимание явление глобального потепления, серьезные последствия которого мы только начинаем видеть. Сегодня основными причинами глобального потепления являются консенсус в научном сообществе: антропогенное воздействие (выбросы парниковых газов, обезлесение), в отличие от естественного воздействия (солнечного и вулканического), как следует из названия. , в результате деятельности человека.
Если самая амбициозная мечта Илона Маска или НАСА - в ближайшем будущем ступить на Марс , тем не менее, необходимо будет переместиться и колонизировать регионы гораздо дальше, чтобы оставить человечеству надежду на выживание.когда Солнце подписывает наш смертный приговор, или когда Человек причинил себе ущерб.
Вам это кажется маловероятным, и вы сомневаетесь, не без оснований, в способности Homo sapiens принять такой вызов? Но, наблюдая за Луной, представлял ли Галилей Нила Армстронга? Что бы подумал Гиппократ, отец медицины, глядя в микроскоп, обращенный к клеточному миру или ядерной медицине?
В масштабе Вселенной от каменного века до современной эпохи и ее индустриальных обществ, до цифровой революции прошло немного времени, и человечеству еще предстоит стать на многие тысячелетия. то, что исследователи называют «суперцивилизацией»,другими словами, цивилизация, которая достигла очень высокого уровня технологического развитияи кто, таким образом, может предпринять межзвездную колонизацию .

От фантастики к науке

В начале XIX - ^го века, технического прогресса , связанного с первой великой индустриальной революции коренным образом изменяет лицо общества и стимулирует воображение . Таким образом, футуристические прогнозы, основанные на прогрессе науки, быстро нашли свое место в литературе, особенно это касается предшественников научной фантастики, которыми являются Жюль Верн и Герберт Уэллс. Если SF признается как литературный жанр сам по себе в середине XX - ^го века, многие авторы представить себе мир и технологии будущего ; Подобно работам Верна, большое количество концепций, проиллюстрированных в этих произведениях фантастики, будет реализовано впоследствии.
Сегодня научная фантастика является неотъемлемой частью нашей культуры, благодаря литературе, а также, особенно, кино, а в последнее время и видеоиграм. Художники черпают вдохновение в достижениях науки, а наука постоянно питается их ярким воображением . Мобильные телефоны и планшеты, голосовые помощники, клонирование животных, автономные автомобили, гуманоидные роботы, межпланетные путешествия, искусственный интеллект или даже дополненная реальность - все эти концепции и технологии (и многие другие) впервые увидели свет под форма художественной литературы , в кино, с такими фильмами, как Star Trek, Minority Report, Terminator или, в последнее время, I-Robot.

Связь между художественной литературой и наукой иногда бывает тесной, и пространственная колонизация - тема вездесущая в произведениях научной фантастики. Как мы только что убедились, колонизация космоса - это не просто фантазия, в которой государственные учреждения и частные субъекты хотят погрузиться в атмосферу конкуренции; она может зависеть от устойчивости цивилизации.
Две концепции мегаструктуры, которые мы представляем вам сегодня, были напрямую вдохновлены произведениями научной фантастики и могут однажды стать краеугольным камнем для межзвездной колонизации .

Сфера Дайсона: улавливание энергии звезды

Сфера Дайсона, концептуализированная известным физиком Фрименом Дайсоном в статье в журнале Science в 1960 году, представляет собой гипотетическую и искусственную мегаструктуру, которую можно создать вокруг звезды в попытке восстановить большую часть энергия, которую он производит. Фриман Дайсон в 2009 году © Юджин Ричардс Эта идея искусственной биосферы была вдохновлена ​​чтением романа Олафа Стэплтона «Звездный создатель» и его «световых ловушек». В то время поиск внеземной жизни был в самом разгаре и программа SETI

(Поиск внеземного разума) родился, так как большой прогресс был достигнут в радиоастрономии, и НАСА готовится впервые отправить команду на Луну. Это бурное развитие, а также значительные средства, выделяемые в то время на исследования и покорение космоса, будут стимулировать целое поколение ученых, включая Фримена Дайсона. Таким образом,
Дайсон хотел проверить научным взглядом привлекательную идею, развитую в романе Стэплтона, которая позволила бы развитой цивилизации удовлетворить свои сильные потребности в энергии, улавливая всю или большую часть излучаемой энергии. не его звезда. Эта идея начинается с очень простой предпосылки:при условии, что потребность в энергии и материалах увеличиваетсядля технологической цивилизации она однажды неизбежно исчерпает энергетический потенциал своей собственной планеты, и у нее не будет другого выбора, кроме как обратиться к своей звезде.

Обнаружение сфер Дайсона

Дайсон считает, что этот подход также может быть частью ответа на парадокс Ферми удивления, чтобы попытаться понять, почему Вселенная так тиха . Действительно, среди гипотез, которые позволяют нам отреагировать на это великое молчание, помимо возможных трудностей совершения межзвездных путешествий, нехватки разумной жизни или того факта, что внеземные цивилизации могут исчезнуть, не достигнув На продвинутой стадии Дайсон также напоминает о том, что у последних не могло быть необходимости колонизировать Вселенную с того момента, когда им удалось получить доступ к почти неограниченному источнику энергии, построив одну или несколько сфер Дайсона. Несмотря ни на что, еслизвезду, «заключенную» в сферу Дайсона, невозможно обнаружить в видимом спектре, сферу можно было бы обнаружить благодаря инфракрасному излучению, аналогичному излучению черного тела.
После первой формулировки Дайсона, обозначающей твердую и полую «оболочку», окружающую звезду, были затем концептуализированы другие разновидности сфер Дайсона, в частности, в ответ на критику относительно механической устойчивости такого объекта. В общей сложности три типа Дайсона сфер , таким образом , предусмотрено, что тип I, полые и замкнутая оболочка сделает возможным захватить почти все энергии , излучаемой звездой и может быть потенциально пригодной для жизни; тип II, который состоит изрой, состоящий из очень большого количества независимых солнечных коллекторов , решение, которое кажется более реалистичным; Пузырь типа III, называемый пузырем Дайсона , будет состоять из « статитов » (сокращение слов статический и спутник), которые будут использовать солнечные паруса, как прототип, вдохновленный Карлом Саганом, Lightsail, для неподвижного плавания по отношению к звезде.

Сфера Дайсона в Млечном Пути?

Эта концепция, конечно, очень интересна для исследования техносигнатур , но она удивляет и удивляет больше, когда мы знаем, что Фриман Дайсон считает, что человечество могло бы захватить всю энергию Солнца благодаря такой структуре отсюда. 2500 лет!
Опираясь на шкалу Кардашева - метод классификации цивилизаций в зависимости от их энергопотребления и технологического уровня - Дайсон действительно оценивает, что общество может достичь 2-го типа этой классификации всего за 2500 лет. что ее годовой экономический рост не опускается ниже 1%. Цивилизация 2-го типа соответствует развитому обществу, способномусобирать энергию, излучаемую его звездой . В 1973 году Карл Саган пересмотрел эту шкалу, заявив, что человечество было тогда цивилизацией типа 0,7 .
Это титаническое начинание сейчас кажется немного дурацким, тем более что оно потребует демонтажа эквивалента газообразной планеты, такой как Юпитер, а также терраформирующих планет, таких как Марс и Венера. Несмотря ни на что, текущая технологическая эволюция, в частности, быстрое развитие робототехники, искусственного интеллекта и нанотехнологий, предполагает светлое будущее для покорения космоса. Другие гипотетические концепции, такие как зонд фон Нейманакосмический корабль, способный воспроизводить себя с использованием материалов, найденных на месте, мог удовлетворить гигантские потребности в строительстве и сборке сферы Дайсона.

Цилиндр О'Нила: колонизация солнечной системы

Товарищ и друг Фримена Дайсона, О'Нил также очень интересовался вопросом о возможной колонизации человеком межпланетного пространства .
Теоретически сформулированный в 1977 году в его книге «Высокие рубежи: человеческие колонии в космосе» («Города космоса», во французском издании), цилиндр О'Нила представляет собой концепцию пространственной среды обитания, возникшую в результате совместной работы Жерара. О'Нил и его ученики в Принстоне еще в 1969 году. В 1974 году он уже опубликовал статью под названием « Колонизация космоса » в журнале Physics Today, в которой он описал несколько инновационных решений для колонизации Солнечной системы.в частности путем разработкимега-инфраструктуры .
Джерард К. О'Нил преподает в Принстоне © Таша О'Нил
Если мы можем подумать, что О'Нил был также вдохновлен романом Стэплтона, в котором описываются жилые структуры, построенные вокруг звезд, а также кольца В конце концов, это цилиндрический вариант концепции, уже предложенной в 1929 году британским физиком Джоном Десмондом Берналом и вновь принятой в 1954 году немецким ученым Германом Обертом . Однако незадолго до публикации его книги мы находим этот тип структур (внеземного замысла) в романе Артура Кларка «Свидание с Рамой».

Подобные условия жизни на Земле

Однако с помощью своих учеников О'Нил будет популяризировать и продвигать эту концепцию немного дальше. На самом деле он представляет себе три различных типа пространственных сред обитания , называемых островами .
Таким образом, Island One состоит из вращающейся сферы диаметром 512 метров. Эта структура могла вместить 10 000 жителей в ее экваториальном районе. Концепция Острова Два аналогична, за исключением того, что его диаметр составляет 1,6 км. Затем эта идея была подхвачена во время летнего исследования НАСА 1975 года под руководством О'Нила, в котором Стэнфордский университет предложил альтернативную версию - Стэнфордский тор.- состоит из одного или двух торов, использующих центробежную силу для создания гравитации, подобной земной.
Наконец, эталонная концепция, Island Three, сегодня известна как цилиндр О'Нила . Он намного больше, чем две другие модели, так как состоит из пары противоположно вращающихся цилиндров, каждый длиной 32 км и диаметром 6 км.
Пара цилиндров О'Нила © Rick Guidice / NASA Ames Research Center
Каждый цилиндр в этой огромной конструкции имеет шесть срезов равной площади, простирающихся по всей длине цилиндра. Трое из них жилые, а остальные три - это прозрачные поверхности, пропускающие солнечный свет. Внешнее кольцо диаметром 32 км, вращающееся с разной скоростью, установлено для ведения сельскохозяйственных работ . Наконец, промышленные производственные единицы для проектирования жилых домов будут расположены в центре этой конструкции, чтобы минимизировать гравитацию для определенных промышленных видов деятельности.
Как мы видим, О'Нил и его ученики продумали все здесь для возможной колонизации космоса, концепция, которая также нравится некоему Джеффу Безосу. Цилиндр О'Нила, способный вместить несколько миллионов жителей, видит, что его ось всегда направлена ​​в сторону Солнца, сначала с целью удовлетворения его энергетических потребностей, но также и для того, чтобы получать свет внутри него. Три прозрачных среза, типа окон, будут оснащены зеркалами, чтобы отражать свет , а также имитировать ночь .
Внутренний вид цилиндра О'Нила и его частей жилого пространства и чередующихся зеркал © Rick Guidice / NASA Ames Research Center
Для обеспечения устойчивости, как будто имитируя земную гравитацию, О'Нил предусмотрел размещение конструкции на уровне точек Лагранжа ; цилиндры должны будут вращаться в противоположном направлении 28 раз в час, чтобы нейтрализовать любой гироскопический эффект и, таким образом, создать для жителей искусственную гравитацию . Наконец, объема цилиндров будет достаточно, чтобы более или менее точно воспроизвести атмосферу с ее собственными метеорологическими условиями , обеспечивая при этом защиту от космического излучения и его излучений.
Внутренний вид цилиндра О'Нила, показывающий кривизну его внутренней поверхности © Дон Дэвис / NASA Ames Research Center

Возможные концепции в ближайшем будущем?

Идея цилиндра О'Нила (и сферы Дайсона ), регулярно вдохновляющая мир научной фантастики, например, фильм «Интерстеллар» или знаменитый сериал видеоигр Mass Effect, с его Цитаделью, остается одна из актуальных и практических предложений , когда речь идет о долгосрочной колонизации космоса и большом масштабе.
Хотя культовый основатель SpaceX Илон Маск все еще далек от такого проекта, утверждая, что он не имеет смысла, цилиндр О'Нила многим кажется разумная идея по сравнению с колонизацией других планет солнечной системы, где Человек, хрупкий,будет трудно установить.
Как и многие другие до него, как и Карл Саган, основатель аэрокосмической компании Blue Origin Джефф Безос был увлечен идеей колоний, описанной О'Нилом. Хотя Безос с тех пор осознал, что строительство этих поселений будет проблемой, намного превосходящей все, что люди могли выполнить до сих пор, он считает, что следующей большой проблемой в космосе будет использование ресурсов. доступны в космосе для строительства и обслуживания конструкций .

Такой взгляд на будущее космоса явно не бессмысленен: НАСА и ЕКАпоэтому серьезно рассматривают возможность использования ресурсов на месте для своих следующих полетов на Луну. Вдобавок, если эти агентства достигнут такого прорыва, который позволил бы предусмотреть автономное присутствие человека на Луне, очевидно, что это также один из основных элементов для гипотетического строительства мегаструктуры, такой как 'сфера Дайсона или колония О'Нила.
Сегодня эти проекты кажутся нам недосягаемыми, вымышленными, даже совершенно безумными, как заявления Маска. Однако, если кажется очевидным, что мы никогда не увидим их при нашей жизни, они вполне могут покинуть поле научной фантастики и стать реальностью в течение нескольких столетий! Улучшенные и менее громоздкие версии также, возможно, появятся в относительно ближайшем будущем. Kalpana One , гибридный дизайн, вдохновленный цилиндром О'Нила, сферой Бернала и Стэнфордским тором, кажется в наших масштабах гораздо более реалистичным.


А вы думаете, когда-нибудь Человек сможет строить такие сооружения в космосе?