Багато років тому я зрозумів, що вихід людства у Всесвіт і поширення біовиду розумних істот матиме магістральною тенденцією створення штучних космічних поселень (хабітатів, від латинського habitatem — середовище та місце для проживання). Тіла Сонячної системи стануть радше джерелом матеріальних ресурсів для побудови хабітатів відкритого космосу, аніж основою для створень поселень на поверхні. Причому, найбільший інтерес представлятимуть скупчення ресурсів з одного боку достатньо великі, а з іншого боку — такі, що не створюють «глибоких» гравітаційних колодязів.
Десь років 10-12 тому я зрозумів, що найбільш підходящими в цьому сенсі є великі астероїди з Поясу Астероїдів та невеликі супутники планет. Наступним обмежуючим фактором перетворення якогось небесного тіла на зародок космічного поселення людства є хімічний склад порід, з яких складається астероїд чи то малий супутник планети. Потенційне небесне «родовище корисних копалин» для створення хабітату повинно мати вдосталь, буквально мегатонними нормами:
- Води — як джерела кисню і водню
- Вуглецю (у вигляді сполучень карбону) — як основи оргсинтезу і харчової індустрії
- Азоту — як компоненти атмосфери
- Кремнію — як основи багатьох індустрій, зокрема керамічної, Сонячних Батарей, електронної, кремній-полімерної та інш.
Бажані, звісно, і метали. Але їх наявність не є критичною вимогою. Тому що буквально поруч літають багато невеликих небесних тіл, так званих астероїдів М-типу.
Церера першою підпадає під всі означені вимоги. Коли я це зрозумів, сформулював для себе максиму, якій постійно знаходжу все нові підтвердження:
«Той, хто контролюватиме Цереру, той контролюватиме Сонячну систему».
І ось, мені трапилась цікава концепт-робота фахівців на чолі з Пекка Янгунен (метеорологічний Фінський інститут, Гельсінкі, Фінляндія. Також в Aurora Propulsion Technologies Oy, Еспоо, Фінляндія. Також в Університеті Тарту, Естонія)
«Тераформування карликової планети: Взаємозв’язаний і зростаючий світ мегасателітів Церери»
В анотації автор формулює мету і вихідні дані для проведення свого уявного експерименту:
Ми аналізуємо поселення з мегасателітів на високій орбіті Церери, що побудоване з матеріалів Церери. Цереру обрали, оскільки вона містить азот, який необхідний для земної атмосфери. Для забезпечення штучної гравітації на рівні 1G, місця проживання обертаються і кріпляться до дископодібної мегасателлітної рами пасивними безпечними магнітними підшипниками. Місця проживання освітлюються концентрованим сонячним світлом, яке виробляється площинними і параболічними дзеркалами. Мотивація полягає в тому, щоби мати поселення зі штучною гравітацією, яке дозволяє людству поширюватися за межі населеної площі Землі, одночасно забезпечуючи легкі подорожі мешканцям всередині поселення та досить низьку щільність населення 500 душ на квадратний кілометр. Для створення садів та лісових насаджень використовується ґрунт товщиною 1,5 м. Ґрунт можна наростити до 4 м, за наявності достатніх енергетичних потужностей. Питома маса комплексу в обрахунку на одну людину становить 107 кг, більшість з яких — це радіаційний щит і ґрунт. Мета проекту — створення довготривалого стійкого світу, із замкненою біосферою. Оскільки подорожі всередині поселення можливі без реактивного руху, досягнення цієї мети можливе хоча б в принципі. Підйом сировинних матеріалів з поверхні Церери енергетично вигідніший порівняно з переробкою їх у місці видобутку, якщо використовується космічний ліфт. Оскільки Церера має низьку гравітацію і обертається відносно швидко, космічний ліфт є здійсненним.
Декілька цікавих тез публікації
- Пропозиції щодо неземних поселень, як правило, поділяються на дві категорії. З одного боку, є плани заселення поверхонь Місяця і Марса. Принциповим їх недоліком є низька гравітація, яка викликає питання щодо довгострокових наслідків для здоров’я
- У цій роботі ми вивчаємо можливість прикріплення окремих житлових модулів до нерухомого каркасу — мегасателліту. Тоді по структурі мегасателліту можливі переміщення людей і вантажів між житловими модулями без застосування реактивного руху. Геометрія мегасателліту вибирається таким чином, щоби мегасателліт можна було нарощувати за принципом геометричної подоби. Намір полягає в тому, щоб мати лише один мегасателліт, який росте у міру побудови нових модулів-поселень. Система кріплення житлових модулів до мегасателліта має необмежений термін служби та не викликає проблем із надійністю, якщо використовується пасивний безпечний магнітний підшипник типу Inductrack без фізичного контакту.
Ключові параметри штучної біосфери
- Екранування радіаційного випромінювання.
- Землеподібна атмосфера.
- 1G штучного тяжіння.
- Цілодобовий цикл із інсоляцією 130 Вт / м 2 , як у південній Німеччині.
- Природа, поля, парки, ліси.
- Щільність населення 500 / км 2 , як у Нідерландах.
- Великий, взаємопов’язаний світ .
Навколишнє середовище також може бути кращим за Землю:
- Відсутність несприятливої погоди.
- Відсутність стихійних лих.
- В кінцевому підсумку можна створити більшу житлову площу, ніж уся Земна суша.
- Можна поставити запитання, чи атмосфера з чистого кисню буде гарним рішенням. Навіть при зниженому тиску атмосфера з чистого кисню збільшує ризик пожежі, оскільки немає інертного газу, який би сприяв гальмуванню полум’я. Оскільки щільність маси повітря могла б бути низькою, це також ускладнило б політ комах та птахів. Для запилення потрібні комахи, і люди б сумували за птахами, якби їх не було поруч. Отже, нам потрібна земна атмосфера з азотом.
Ми формулюємо відповідні технічні вимоги:
- Досить достатнім виглядає радіаційне екранування 7600 кг/м2 , якщо екран складається на 20% з води та на 80% із силікатного реголіту. За нашими розрахунками, зі сферичною конфігурацією, що є найгіршим припущенням, ми отримали 20,45 мЗв/рік еквівалентної дози та 5,808 мГр/рік абсолютної дози. Межею достатнього захисту вважається відповідно 20 мЗв/рік та 6 мГр/рік.
- Якість штучного тяжіння y покращується, коли радіус обертання збільшується. Глобус і Холл проаналізували цю проблему і виявили, що період обертання 30 с є консервативним вибором, а період 15 с або навіть 10 с дає прийнятну якість. Однак це питання принципово відкрите, поки не будуть здійснені орбітальні експерименти зі штучною гравітацією. Щоб бути впевненим, що якість штучного тяжіння висока, ми приймаємо радіус обертання 1 км, що відповідає періоду обертання кожного житлового модуля в 66 с.
- На одну людину припадає 2000 м2 житлової площі, яку ми поділяємо на сільську (близько 1100 м 2 ) та міську (близько 900 м 2 ). Сільський простір матиме гравітацію 1G. Для міського простору ми допускаємо дещо меншу гравітацію, десь 0,8G.
- Для садівництва і лісового господарства, ми припускаємо глибину ґрунту 1,5 м у сільській місцевості . Припускаємо щільність ґрунту 1500 кг/м3 , тоді маса на одиницю площі ґрунту становитиме 2250кг/м2 . Сільський простір освітлюється природним сонячним світлом із середньодобовою інсоляцією 130 Вт/м2.
- Міський простір не має шару ґрунту і використовує штучне освітлення.
- Висота атмосфери становить 50м для сільського та 15м для міського простору.
Церера як джерело ресурсів
- Ми вирішили розмістити орбіту хабітату навколо Церери, щоби поселення залишалося фізично близьким до покладів ресурсів. Це гарантує, що час перенесення матеріалу на фазі будівництва залишатиметься відносно коротким. Ми використовуємо високу орбіту, щоб мінімізувати припливні сили. Ми приймаємо R = 100 , 000 км кругової екваторіальній орбіти. Це менше радіуса сфери Хілла для Церері (207 000 км), тож, така орбіта має бути довгостроково стабільною без технічного обслуговування.
- Ми рекомендуємо використовувати космічний ліфт для підйому матеріалів із Церери. Довжина кабелю ліфта становить 1024 км, а вимоги до міцності кабелю є простими для задоволення. Підйом вантажів з поверхні вимагає лише 54 кДж/кг енергії.
- Церера багата водою, отже також можна вивільняти H2/O2 і використовувати ракети для підйому матеріалів. Однак ми віддаємо перевагу космічному ліфту, оскільки йому потрібно набагато менше енергії на підняту масу.
Декілька спеціалізованих підрозділів доповіді я не акцентуватиму зараз. Серед них такі як:
- Вирощування мегасателліта Церери — математика, фізика, логістика і технічні подробиці
- Утилізація сонячного світла
- Організація синтетичного добового циклу для нормального функціонування біосфери
- Теплове балансування
- Питання структурної маси. Теоретична механіка, опір матеріалів і всякі різні такі формули
- Маса магнітних підшипників
- Питання внутрішнього транспорту
- Космічний ліфт
- Транспорт на поверхні Церери
- Ресурс кутового моменту Церери
Якщо буде потреба, їх можна буде розглянути в окремих темах.
Геометричні параметри та масовий бюджет
У таблиці наведено основні параметри, які розраховані для подвійного циліндра, який проходить через площину симетрії і включає також спрямовані вниз частини, видно на рис. 6а. Дві половини циліндра житлового модуля фізично з’єднані та укладені в одному і тому ж радіаційному екрані .
| Радіус житлового модуля | 1 км |
| Довжина житлового модуля | 10 км |
| Радіус параболічного відбивача | 4,4 км |
| Населення | 56700 |
| Житлова зона | 114 км2 , 2000 м2/особа, 44,9% міських |
| Міська гравітація | 81% |
| Електрична енергія | 6,26 кВт/особа, 7,0 Вт на міський м2 |
| Період обертання | 1,06 хв |
| Розсіювання потужності | 156 кВт/особа |
| Тепловий потік | 141 Вт/м2 |
| Ширина світлового каналу | 137 м |
| Інсоляція світлового каналу | 5,0 соняних |
В таблиці 2 наведено масовий бюджет мегасателліту, розрахований за геометричною моделлю з використанням параметрів таблиці 1.
Таблиця 2: Масовий бюджет мегасателліту.
| Елемент | Маса/особа | Доля |
| Щит | 6712 т | 68,7% |
| Грунт і біосфера | 2481 т | 25,4% |
| Структурні | 484 т | 5,0% |
| Повітря | 96 т | 1,0% |
| Разом | 9774 т | 100% |
- Загрози. Удари метероїдів є потенційною загрозою. Однак цей ризик можна ефективно пом’якшити або, можливо, навіть повністю виключити. Зіткнення метеороїдів підметрового масштабу не пробиватимуть радіаційний екран. Для великих загроз на траєкторії зіткнення можливе раннє виявлення та відведення певного житлового модулю від точки зіткнення або відхилення самої загрози. Залишається клас метеороїдів середніх розмірів, який не охоплюється цими стратегіями. Проти них можна використовувати активний захист на близькій відстані, заснований на кінетичній зброї та/або лазерах. Нарешті, якщо попередження надійде занадто пізно, щоб застосувати інші засоби захисту, можна евакуювати людей із загрожуваного кінця житлового модуля або, якщо є достатньо часу, з цього модуля взагалі.
Вищезазначений аналіз можна узагальнити за такими цифрами:
- Маса на житлову площу 5000 кг/м2 , з яких 5% (250 кг/м2 ) – це структурна маса (сталь), виробництво якої потребує 20 МДж/кг енергії.
- Таким чином, енергія виробництва становить 1 МДж/кг. На житлову площу вона становить 5*109 Дж/м2.
- Житлова площа 2000 м2/особа, отже 107 кг/особа і 1013 Дж/людина.
- Площа диска мегасателліту 1175 м2/особа.
Масовий ресурс Церери — Маса Церери ≈ 1021 кг і її вистачило б на будівництво 200 мільярдів квадратних кілометрів житлової площі, тобто в 400 разів більшу за площу поверхні Землі. При щільності населення 500/км2 така територія містила б 1014 людей, що в 10’000 разів перевищує сучасну чисельність населення Землі. Мегасателліт таких екстремальних розмірів знаходився б на геліоцентричній орбіті, оскільки він не містився б на орбіті Церери.
Швидкість підйому матеріалу орбітальним ліфтом. За умови покриття сонячними панелями 20% площі Церери або розміщення еквівалентної потужності енергогенерації безпосередньо в космічному ліфті (його елементах), вироблятиметься близько 4,8 ТВт електроенергії. Підйом сировини орбітальним ліфтом потребуватиме 54 кДж/кг. Також потрібно 20 м/с дельта-v для рухом круговою орбітою, а ще для виробництва ракетного палива також потрібна енергія. Припустимо, що подорож корисного навантаження триває 52 дні. Тоді ми отримуємо, що можна підняти 2,8*1015 кг / рік. Цього вистачає на 280 мільйонів нових людей на рік. Це перевищує поточний щорічний приріст світового населення, який становить близько 80 мільйонів на рік. Великий мегасателіт з 1011 населення та 200*106 км2 житлової площі буде побудований за 360 років, з такою швидкістю.
Як вам таке, Альфачі?