Джон Джосси, 29.03.2024, spacesettlementprogress.com
В этом посте подводится итог моего предстоящего выступления в рамках курса «Жизнь в космосе» на ISDC 2024 (International space development conference), который пройдет в Лос-Анджелесе 23–26 мая. Презентация представляет собой квинтэссенцию нескольких постов о рецептах гравитации, о которых я писал на протяжении многих лет.
Начнем с пары основных определений. Во-первых, что такое космическое поселение? Национальное космическое общество очень подробно определило этот термин в пояснении Dale L. Skran еще в 2019 году. Я привожу этот отрывок, подчеркнув его жирным шрифтом:
Космическое поселение определяется как:
«… жилище в космосе или на небесном теле, где семьи проживают на постоянной основе и занимаются коммерческой деятельностью, которая позволяет поселению со временем расти с целью стать экономически и биологически самодостаточным…»
Дело в том, что люди захотят иметь детей везде, где их семьи пустили корни в космических сообществах. Да, «поселение» может быть постоянным и, возможно, населенным взрослыми людьми, которые доживут там остаток своей жизни, например, в пенсионном сообществе. Но они не являются биологически самоподдерживающимися в том смысле, что у поселенцев есть потомство, которое зачато, рождено и выращено там и живет здоровой жизнью на протяжении нескольких поколений.
Далее нам следует объяснить, что подразумевается под «Гравитационным рецептом» (GRx). Этот термин, впервые придуманный доктором Джимом Логаном, относится к минимальной «дозировке» гравитации (уровню и продолжительности воздействия), обеспечивающей здоровое зачатие, беременность, рождение и нормальное, жизнеспособное развитие до взрослой жизни человека… на протяжении нескольких поколений. Следует отметить, что GRx можно разбить как минимум на три компонента: необходимые для беременности (от зачатия до рождения), раннего развития ребенка и взрослой жизни. Основное внимание в этом обсуждении уделяется, прежде всего, GRx для воспроизводства.
Мы также должны сделать некоторые основные предположения. Во-первых, за исключением GRx, все проблемы, ожидаемые при создании поселений в дальнем космосе, могут быть решены с помощью инженерных решений (например, радиационная защита, жизнеобеспечение, выработка электроэнергии и т. д.). Единственный фактор, который нелегко изменить, влияющий на физиологию человека после миллионов лет эволюции на Земле – это гравитация. Нам может быть трудно или даже невозможно оставаться «достаточно здоровым» в условиях слабой гравитации на Луне или Марсе, если предположить, что при проектировании среды обитания учитываются все остальные человеческие факторы.
Давайте углубимся в то, что мы знаем и не знаем о GRx. Несколько десятилетий полетов человека в космос дали множество данных о пагубном воздействии микрогравитации на физиологию человека, не последними из которых являются серьезное снижение костной и мышечной массы, изменения глаз и ослабление иммунной системы – и их гораздо больше. Итак, мы знаем, что микрогравитация вредна для здоровья человека после длительного пребывания в ней. Очевидно, что рождение детей в таких условиях неэтично и не способствует долгосрочному заселению.
Первые исследования размножения млекопитающих в условиях микрогравитации были проведены в начале 1990-х годов на борту космического корабля «Шаттл» в рамках пары экспериментов на STS-66 и STS-70. В каждом полете по 10 беременных крыс запускали в середине беременности (9 дней и 11 дней соответственно) и приземляли ближе к сроку (22 дня). Крысиные детеныши родились через 2 дня после приземления, и гистология их мозговой ткани выявила аномалии развития мозга, вызванные космическим полетом, у 70% потомков.
Лишь в 2017 году на МКС было проведено первое исследование млекопитающих на грызунах с искусственной гравитацией. Хотя Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) не фокусировалось на воспроизводстве, оно провело эксперимент на мышах в своей центрифуге Multiple Artificial-gravity Research System (MARS), сравнив воздействие микрогравитации со спиновой гравитацией в 1g. Результаты предоставили первые экспериментальные доказательства того, что мыши, подвергшиеся воздействию 1g искусственной гравитации, сохранили ту же плотность костей и мышечную массу, что и мыши в наземной контрольной группе, в то время как у мышей в условиях микрогравитации наблюдалось значительное снижение.
В 2019 году JAXA провело аналогичное исследование на центрифуге MARS, добавив в смесь уровни лунной гравитации. Это исследование показало, что у мышей, подвергшихся воздействию 1/6g, были некоторые преимущества: лунная гравитация помогла смягчить мышечную атрофию, но не предотвратила изменения в мышечных волокнах или экспрессии генов.
Только в прошлом году группа под руководством доктора Мэри Буксейн из Гарвардской медицинской школы провела еще одно исследование на взрослых мышах на центрифуге MARS, сравнивая микрогравитацию, 0,33g, 0,67g и 1g. Они обнаружили, что сила мышц задней четверти увеличилась соразмерно уровню искусственной гравитации, и неудивительно, что атрофию, вызванную космическим полетом, можно смягчить с помощью центрифугирования. Результаты были представлены Американскому обществу гравитационных и космических исследований в ноябре прошлого года.
Возвращаясь к размножению млекопитающих в космосе, в прошлом году в журнале Cell сообщалось об интересном результате эксперимента японских ученых из университета Яманаси, проведенного на МКС в 2019 году. Команда, возглавляемая Терухико Вакаямой, разработала способ заморозить эмбрионы мышей после зачатия и отправить их в космос, где они были разморожены космонавтами и стали развиваться в условиях микрогравитации. Контрольные образцы культивировали в условиях искусственной гравитации 1g на МКС и нормальной земной гравитации на Земле. Эмбрионы мышей превратились в бластоцисты и через 4 дня показали признаки дифференцировки клеток/экспрессии генов в условиях микрогравитации. Исследователи заявили, что результаты показали, что «млекопитающие могут процветать в космосе». Этот вывод на самом деле не может быть подтвержден без дальнейших исследований.
Это подводит нас к нескольким неизвестным, касающимся размножения в космосе. SSP подробно изучил эту тему в интервью с Алексом Лайендекером, директором Института астросексологических исследований. Еще предстоит глубоко изучить:
(а) зачатие, включая правильную транспортировку зиготы через маточную трубу до имплантации в матку. Меньшая сила тяжести может увеличить вероятность внематочной беременности, которая фатальна для плода и может поставить под угрозу жизнь матери;
(б) полная беременность на всех стадиях развития эмбриона до рождения; и
(в) раннее развитие ребенка и его взросление в условиях малой гравитации. Все эти стадии размножения млекопитающих необходимо изучить посредством этических клинических исследований на грызунах, превращающихся в модели высших приматов, прежде чем люди смогут узнать, будет ли рождение детей в условиях низкой гравитации на Луне или Марсе здоровым и устойчивым на протяжении нескольких поколений.
Некоторые сторонники космических поселений на Луне или Марсе преуменьшают важность определения GRx для воспроизводства, исходя из того, что плод в женской матке на Земле находится в нейтральной плавучести и, следовательно, по существу невесом. Итак, почему гравитация имеет значение? Я обсуждал этот вопрос с доктором Лайендекером, и он высказал следующие соображения: действительно, гравитация может оказывать меньшее влияние в первом триместре. Но на клеточном уровне развитие цитоскелета и правильное формирование/организация клеток могут подвергаться воздействию от зачатия до рождения. Гравитация помогает ориентировать ребенка для родов в последнем триместре и сохраняет мышцы матки сильными для сокращений/движения ребенка по родовым путям. Пока неизвестно, какой уровень гравитации достаточен для нормального развития от зачатия до взрослой жизни.
Почему все это имеет значение? Этическое определение правильного уровня гравитации для здорового воспроизводства и развития детей поможет понять, где семьи могут безопасно обосноваться. Доступные уровни гравитации тел, на которых мы можем создать сообщества в космосе, сосредоточены вблизи уровней Земли, Марса и Луны. Это наши единственные варианты GRx на телах Солнечной системы.
Проблема в том, что мы еще не знаем, сможем ли мы оставаться достаточно здоровыми на телах с гравитацией, эквивалентной гравитации на Луне или Марсе, поэтому мы не можем выбирать реалистичные пункты назначения человека или формулировать подробные планы, пока не получим эти знания. Конечно, мы всегда можем построить вращающиеся поселения в свободном космосе с искусственной гравитацией, эквивалентной земной. Понимание важности GRx и определение его ценности могут изменить стратегию освоения космоса с точки зрения как инженерных, так и политических решений. Чем дольше мы откладываем, тем выше альтернативные издержки с точки зрения потерянного времени из-за бездействия.
Каковы эти упущенные возможности с точки зрения альтернативных издержек? Очевидно, что на первом месте в списке Илона Маска находится «План Б» для человечества, то есть второй дом на случай катастрофических катаклизмов, таких как изменение климата, ядерная война и т.д. Это определяет его срочность. Согласно видению Джерарда К. О’Нила, изложенному в книге «Высокие рубежи», практически неограниченные ресурсы в космосе могут положить конец голоду и бедности, обеспечить высококачественное жизненное пространство для быстро растущего населения, достичь контроля над населением без войны, голода или диктатуры. И наконец, расширить свободу и возможности выбора для всех людей.
Если люди не смогут рожать детей при силе тяжести меньше земной, то Луна и Марс могут оказаться неудачными для долгосрочного (биологически устойчивого) заселения космоса. На других мирах не будет биологически устойчивых городов с миллионами людей, если они не смогут создавать там семьи.
Единственной альтернативой могут стать вращающиеся космические поселения со спиновой гравитацией, обеспечивающие искусственную гравитацию в 1g. Если бы Илон Маск знал, что люди, которых он хочет отправить на Марс, не смогут иметь там детей, изменил бы он свои планы относительно создания самодостаточной колонии на этой планете? Очевидно, что для него важно иметь и воспитывать детей. Как написал Уолтер Айзексон в своей недавней биографии Маска: «Он опасался, что снижение рождаемости представляет собой угрозу долгосрочному выживанию человеческого сознания».
Так как же ему быстро определить GRx? Одним из решений было бы финансирование установки частичной гравитации на низкой околоземной орбите для проведения этических экспериментов по воспроизводству млекопитающих в условиях слабой гравитации. Джо Кэрролл дорабатывает предложение по созданию такого объекта двухгантельной формы, лаборатории с низкой гравитацией как на Луне и Марсе (о ней ранее рассказала SSP), которую можно было бы рекламировать как туристический объект. Станция, вращающаяся со скоростью 1,5 об/мин, будет построена из комбинации жилых помещений размером с полезную нагрузку Starship, связанных воздушными балками, обеспечивающими доступ к различным уровням гравитации. Посетители будут доставлены на объект в капсулах Dragon и смогут испытать 3 уровня гравитации с различными туристическими достопримечательностями. Эта концепция будет быстрее, дешевле, безопаснее и лучше, чем создание аналогичных баз на Луне или Марсе для быстрого изучения GRx. За объектом будут ухаживать экипажи с разных сторон, которые будут жить и собирать данные о состоянии здоровья в течение года или более. И, конечно же, этические эксперименты по GRx для размножения млекопитающих будут проводиться сначала на грызунах, а затем, в случае успеха, на высших приматах.
Что, если эти эксперименты обнаружат, что рождение детей в условиях низкой гравитации невозможно, и наш единственный путь вперед – это вращающиеся поселения в свободном комосе? Физика и физиология человека требуют, чтобы они были достаточно большими, чтобы поселенцы могли выдержать скорость вращения в 1g и избежать дезориентации. По первоначальному замыслу О’Нила, диаметр его космического поселения Island One составит около 500 метров.
Как первоначально предполагалось, эти поселения будут расположены за пределами магнитного поля Земли в точке Лагранжа L5 Земля-Луна, что потребует их защиты огромным количеством лунного реголита для защиты жителей от радиации. Их строительство требует значительного развития технологий и инфраструктуры (например, перемещение масс грунта с Луны, автоматическая сборка в космосе, достижения в области робототехники, источников энергии и т.д.). Большая часть этого в конечном итоге будет сделана в любом случае по мере развития космонавтики… однако знание GRx (если оно равно 1g) может придать этим задачам ощущение срочности.
Некоторые могут принять альтернативную точку зрения: если мы знаем, что гравитация Земли работает нормально, мы могли бы сразу перейти к поселениям в свободном космосе, если бы смогли решить проблему массы. Именно такой подход Эл Глобус и Том Маротта использовали в своей книге «Высокий рубеж: Более легкий путь», представив Kalpana One, цилиндрическое вращающееся поселение в свободном космосе диаметром 450 м, расположенное на экваториальной низкой околоземной орбите (ELEO) и защищенное магнитным полем нашей планеты, что значительно снижает массу.
Но может быть есть еще более простой способ. Каспер Кубица предложил 10-летнюю дорожную карту строительства кондоминиума стоимостью 10 миллионов долларов в ELEO на основе Kalpana Two, уменьшенной версии орбитального поселения, описанного Элом Глобусом в статье Space Review 2017 года.
Несмотря на то, что эти сообщества будут иметь меньшую массу, им все равно потребуется значительное увеличение частоты запусков для размещения необходимых материалов на НОО, особенно вблизи экватора. Морские космодромы, подобные тем, которые разрабатывает The Spaceport Company, могут сыграть значительную роль в этой инфраструктуре. Было бы полезно принять законодательство, обеспечивающее финансовые стимулы муниципалитетам для строительства космодромов, например, Закон о гарантированном лидерстве США в космосе 2024 года, представленный Конгрессу в прошлом месяце. Новый закон внесет поправки в Кодекс IRS (Internal Revenue Service – Служба внутренних доходов – налоговая служба федерального правительства США), чтобы позволить космопортам выпускать освобожденные от налогов муниципальные облигации для улучшения инфраструктуры.
Не будет ли орбитальный мусор представлять опасность для поселений в ELEO? Определенно да, и National Space Society (Национальное космическое общество) формирует политику в этой области. Лучший подход – сделать акцент на «легкой» реформе регулирования прав на спасение, с защитой и возмещением ущерба космической отрасли для поощрения переработки и удаления мусора. Джо Кэрролл предложил рыночный подход, который ввел бы плату за парковку для орбит с высокой стоимостью, который будет финансировать систему вознаграждения за уборку мусора. Эта система будет стимулировать развитие таких компаний, как CisLunar Industries, Neumann Space и Benchmark Space Systems, которые разрабатывают космические процессы по переработке орбитального мусора в полезные товары, например топливо и конструкционные компоненты.
При дальнейшем развитии технологий и продвижении вглубь космоса, достижения в области искусственного интеллекта и робототехники позволят автономно превращать астероиды во вращающиеся космические поселения, как описано Дэвидом Дженсеном в статье, загруженной на arXiv в прошлом году. Такой подход значительно снижает затраты на запуск за счет использования ресурсов на месте. Первоначально небольшое количество «исходных» роботов-изготовителей инструментов запускается к целевому астероиду вместе с дополнительными «витаминами» компонентов, таких как микропроцессоры, которые не могут быть легко изготовлены до тех пор, пока не будет достигнут технологический прогресс, чтобы завершить создание подобных машин. Эти роботы-репликаторы используют материалы астероидов для создания копий самих себя и других структурных материалов, в конечном итоге создавая вращающееся космическое поселение. По мере совершенствования технологий эти машины в конечном итоге становятся полностью самовоспроизводящимися, больше не требуя дополнительных поставок с Земли.
Использование искусственного интеллекта для создания роботами космических поселений на начальном этапе исключает людей из процесса, устраняя риск для их здоровья от воздействия радиации и микрогравитации. Отправьте туда роботов-строителей домов – тогда семьи благополучно переселятся позже. В поясе астероидов имеются практически неограниченные запасы сырья для строительства тысяч таких сообществ.
Если вращающиеся космические поселения с земной гравитацией станут предпочтительным выбором для внеземных сообществ, где будет лучшее место, главная недвижимость Солнечной системы? Джим Логан определил идеальное место с помощью своих семи основных критериев урегулирования.
- Низкое значение Delta-V – обеспечивает легкий доступ с минимальными затратами энергии.
- Много РЕСУРСОВ… очевидно!
- Мало или нет гравитационного колодца – на полпути к любой точке Солнечной системы.
- На Земле или около нее. Нормальная ГРАВИТАЦИЯ для людей, растений и животных – как на Земле.
- Естественная пассивная круглосуточная радиационная защита – для здорового образа жизни.
- Разрешить создание крупных резервных экосистем – для жизнеобеспечения и жизнеобеспечения.
- Плацдарм для исследования и расширения (включая частые, повторяющиеся окна запуска).
Используя этот критерий, Логан определил идеальное место – Деймос, самый дальний спутник Марса. Как обсуждалось выше, усовершенствования в технологии искусственного интеллекта и роботизированной добычи позволят автономным буровым машинам пробурить керн длиной 15 км через это тело и диаметром около 500 метров, размер которого идеально подходит для космического поселения Island One.
Фактически, 11 космических колоний Island One (без зеркал), протянутых вплотную через этот туннель, обеспечат радиационную защиту на уровне моря и нормальную искусственную гравитацию Земли для тысяч здоровых поселенцев.
В заключение, GRx для воспроизводства покажет, где в космосе могут быть созданы биологически самоподдерживающиеся здоровые сообщества. Если мы обнаружим, что GRx равен нормальному уровню Земли, поселения в свободном космосе с искусственной гравитацией станут самым безопасным и здоровым решением для жизни и процветания людей во всей Солнечной системе. Чем раньше мы определим GRx, тем лучше, поскольку текущие планы по заселению Луны или Марса, возможно, придется изменить, чтобы рассмотреть вращающиеся космические колонии, что потребует значительного развития инфраструктуры и реформы регулирования. В качестве альтернативы, поскольку мы знаем, что гравитация Земли работает нормально, мы можем пропустить определение GRx и начать с малого – с Kalpana на низкой околоземной орбите. В конечном итоге искусственный интеллект позволит безопасно и автономно собирать космические поселения из астероидов. Внутренняя часть Деймоса могла бы стать идеальным местом для строительства безопасных, здоровых и биологически самостоятельных космических поселений.
Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: The impact of the Gravity Prescription on the future of space settlement