Космические города-бублики

Проект орбитального поселения, написанный фон Брауном для армии США в 1946 году.

Космические поселения тороидальной формы (в просторечии «города-бублики») — один из наиболее ранних проектов орбитальных космических поселений, гипотетически осуществимый при условии дальнейшей реализации предполагаемых вариантов освоения космоса. Основная цель разработки — создать промежуточное звено для космических полётов, которое бы дало возможность осуществлять запуск космических кораблей непосредственно с орбиты и, таким образом, снизило затраты и значительно упростило освоение космоса.

Ранние проекты

Чертежи Циолковского.	Проект Нордрунга. Жилые модули располагаются на внешней стороне станции.

Ещё в начале XX века К. Э. Циолковский создал теорию «эфирных поселений», то есть создания медленно вращающихся вокруг своей оси гигантских космических колоний в форме бубликов, где найдут пристанище многие тысячи человек. Однако общественное мнение тех лет было ещё не готово принять столь смелые концептуальные решения и во многом представляло теорию Циолковского утопией, поэтому развивал свою идею учёный, главным образом, лишь в виде набросков и эскизов^[1]. Первый детальный чертёж и соответствующий проект-обоснование космической станции в форме бублика, - совмещавшей в себе жилые модули, энергогенератор и астрономический обсерваторный модуль, - был создан австрийским учёным Германом Нордрунгом в 1928 году^[2].

22 марта 1952 года в журнале «Collier's Weekly» вышла статья Вернера фон Брауна, — на тот момент ведущего специалиста американской космической программы, — которая называлась «Пересекая последнюю грань», в которой впервые от персоны такого ранга описывалась необходимость создания американцами космической станции. Статья была оформлена художником Чесли Бонстиллом, также стоявшим у истоков американской космической программы. Среди иллюстраций Бонстилла впервые был опубликован эскиз космической станции в виде бублика^[3]. Согласно идеям фон Брауна и Вилли Лея, в таких станциях люди бы жили и работали в помещениях, соединённых в один большой коридор. По словам Лея, станцию такой формы планировалось запустить на тысячекилометровую орбиту Земли. Следуя фон Брауну, начальным экипажем планировалось запустить пятерых-шестерых человек, которые бы начали работы по монтажу модулей. Такая станция бы послужила промежуточным звеном для дальнейших космических путешествий. Следует заметить, что все эти идеи и проекты фон Браун и Лей, будучи ответственными за ход американской космической программы, разрабатывали ещё до первого полёта человека в космос^[4]. С подачи фон Брауна, проект космической станции в форме бублика был приоритетным направлением разработок НАСА до появления проекта Skylab в начале 60-х, который оттеснил проекты космических городов-бубликов на второй план^[5].

В 1965 году в центральном научном издании Американского общества астронавтики было опубликовано предположение, что идеальной формой для будущих населённых космических станций^{[Прим. 1]} был бы тор (в просторечии — бублик). Учёные установили, что если космическая станция такой формы вращается вокруг своей оси, то все её модули расположены в месте, где значение искусственной силы тяжести имеет наибольшую величину, и проблема создания искусственной гравитации представлялась уже во многом решённой^[6].

Зарисовка космического города, предложенного О'Ниллом, выполненная сотрудником Исследовательского центра Эймса.

Один из известных вариантов разработал Джерард О'Нилл — создание колоний, для которых предлагается использовать два гигантских размеров цилиндра, заключённых в раму и вращающихся в разные стороны. Эти цилиндры вращаются вокруг собственной оси со скоростью около 0,53 оборота в минуту, за счёт чего в колонии создаётся привычная для человека сила тяжести.

В 1975 г. П. Паркер предложил проект создания колонии диаметром 100 м и длиной в 1 км, удалённой на расстояние около 400 тысяч км от Земли и Луны и рассчитанного на 10 000 человек. Вращение вокруг продольной оси со скоростью 1 оборота за 21 секунду создаст в нём близкую к земной гравитацию.

В 1977 году под редакцией научного сотрудника Исследовательского центра Эймса (НАСА) Ричарда Джонсона и профессора Чарльза Холброу из Университета Колгейта вышла работа «Космические поселения», где среди прочих выделялись и перспективные исследования поселений в форме тора (бублика), на которых, по мнению учёных, было возможно не только обитание людей, но даже организация технологических циклов и создание орбитального производственного объекта в форме тора^[7].

В 1994 году под руководством д-ра Родни Гэлловэя при участии научных сотрудников и лаборантов Лаборатории Филлипса и Лаборатории Сандия, а также других исследовательских центров ВВС США и Космического исследовательского центра Аризонского университета, было составлено объёмное руководство для проектирования космических поселений в форме тора^[8].

Исследования и проекты современных учёных

Стэнфордский тор. Вид изнутри.	Стэнфордский тор. Вид в ходе возможного строительства поселения.	Вид на Стэнфордский тор из открытого космоса.

Учёные из Стэнфордского университета предлагают конструкцию в виде тора — Стэнфордский тор — гигантских размеров бублик диаметром 1,6 км и толщиной 150 м, вращающийся вокруг невидимой оси для создания искусственной силы тяжести.

Автор энциклопедии космоса и астрономии и книг по современным космическим технологиям, научный сотрудник Университета Дрекселя Джозеф Анжело отмечает, что космические поселения в форме тора, смогут поддерживать нормальную жизнедеятельность около десяти тысяч человек каждое. Взяв за основу стэнфордский проект, Дж. Анжело описывает космический моногород — производственный объект, занимающийся переработкой полезных ископаемых, который являет собой объект в форме тора, составляющий приблизительно 1,6 км в окружности, жилые модули которого расположены на внутренней стороне тора; промзона, включающая в себя производственные помещения и площадки приземления космических летательных аппаратов, — будет расположена, соответственно, на внешней стороне тора. Для придания городу нормальной искусственной гравитации, сравнимой с гравитацией на Земле, тор будет постоянно вращаться. Менеджмент отходов рассчитан на то, что шлак, оставшийся при обработке руды, и сброшенный в окружающее пространство вокруг станции, создаст своего рода барьер, защищающий город от космического излучения и радиации^[9].

Аргументы в пользу создания таких колоний

Освоение человеком планет и спутников Солнечной системы наталкивается на ряд трудностей принципиального и/или даже в принципе не разрешимого характера.

Дело в том, что человек по всей своей природе адаптирован к жизни на Земле^[10].

• Величина центробежной силы зависит от скорости вращения и радиуса. Исходя из этого можно подумать, что идеальной формой для космического объекта было бы тело, имеющее форму тора — «бублика». Если космическая станция такой формы вращается вокруг собственной оси тора, то все её помещения находятся в зоне, где искусственная сила тяжести имеет наибольшую величину^[11].
• На Меркурии слишком жарко, нет подходящей атмосферы, привычного суточного ритма, сила тяжести отличается от земной.
• На Венере слишком жарко, высокое давление, нет подходящей атмосферы, привычного суточного ритма, нет магнитного поля, достаточного для защиты от радиации.
• На Луне слишком жарко/холодно, нет подходящей атмосферы, привычного суточного ритма, сила тяжести отличается от земной, нет магнитного поля, достаточного для защиты от радиации.
• На Марсе слишком холодно, нет подходящей атмосферы, сила тяжести отличается от земной, нет магнитного поля, достаточного для защиты от радиации.
• Посадка на планету и последующий ракетный старт с неё требуют больших энергетических, а значит и финансовых затрат.

Да, можно повысить или понизить температуру на планете, изменить её атмосферу, но трудно решить проблему, например, с недостаточной гравитацией на Марсе, или с тем, что Венера слишком медленно вращается вокруг своей оси. К тому же у этих планет отсутствует мощное магнитное поле.

В связи с этим многим представляется более реальным строить космические колонии в открытом космосе, используя материал астероидов, спутников, планет.

В таких замкнутых колониях в принципе можно добиться самообеспечения, на них можно переместить опасные и вредные производства и установить зеркала для накопления солнечной энергии.

Критика

Несмотря на видимые плюсы от строительства космических городов в форме бублика, существует и ряд существенных минусов. Возвращаясь обратно в 1960-е, следует упомянуть что более детальное исследование, проведённое той же группой учёных для Американского общества астронавтики ещё в 60-е, показало, что «бублик» был далеко не самой идеальной формой для этой цели, ведь возможности космонавтики, как тогда так и сейчас, не позволяли запустить в космос объекты такой величины как стэнфордский тор, а для станций малого размера существовало гораздо больше конструктивных и технических сложностей. Прежде всего, при относительно малых размерах космической станции, нагрузки на различные части тела человека были бы различны в разных местах станции Кроме того, пространство, в котором создаётся искусственая сила тяжести, создаёт проблемы другого характера, а именно визуального восприятия обстановки. В качестве примера можно привести спиральную лестницу, которая ведет к центру «бублика». Вестибулярный аппарат человека не сможет различить спиральной формы лестницы, потому что уровень каждой её ступени будет перпендикулярен силе тяжести и, несмотря на то, что вестибулярные ощущения будут такими же, как и во время восхождения по обыкновенной «земной» лестнице, за исключением очень небольшого снижения силы тяжести, которое будет ощущаться, когда человек движется вверх, а затем снова ступает вниз по лестнице. Тем не менее, ощущения от движения по такой лестнице будут довольно необычными для человека привыкшего к земной гравитации: Достаточно представить себе двух людей, которые идут навстречу друг-другу по такой спиралевидной лестнице, которые будут видеть друг-друга идущими вниз головой, вверх ногами (к оси лестницы)^[6]. При этом, к этой проблеме уже в 1960-е годы нашли подход. Профессор В. Р. Лавлейс так описывает способ её решения: При том, что компоновка помещений должна вестись в непривычной проекции — в развертке криволинейных поверхностей в плоскость, перпендикулярную направлению искусственной силы тяжести, и с точки зрения изготовления и монтажа отдельных элементов «бублик» удобнее делать не кругом, а многогранником. При этом возникнет казус: А ведь в таком «бублике» человек будет ходить словно бы по кривому полу, и, по-видимому, психологически это обстоятельство будет не очень приятным, так же, как и обратное, когда кривой пол будет казаться горизонтальным. Перед архитектором встанет очень сложная и деликатная задача: смягчить эти неприятности, зрительно успокоить человека. Это можно сделать, если выбрать форму помещений так, чтобы не подчеркивались неправильные углы и отражения. При этом можно будет использовать для этой цели физические свойства материалов, различные приёмы освещения^[11].

Однако создание больших космических городов представляет и другие, более насущные трудности: например из-за угрозы метеоритов, террористов, радиационного, рентгеновского излучения. Хотя разведение на них пищевых продуктов вполне реально, вряд ли миллионы людей годами согласятся есть однообразную пищу. Предполагается, что материалом для городов-бубликов станет сырьё, добытое на естественных телах Солнечной системы, а это значит, что всё равно придётся создавать те или иные поселения на планетах и спутниках. В целом же, проблема построения космических колоний в космосе упирается в проблемы современной космонавтики:

• отсутствует надёжный и относительно дешёвый способ вывода грузов на орбиту (одним из вариантов решения мог бы стать космический лифт);
• не создана система защиты станций и людей от радиации;
• в связи с нерешённостью проекта термоядерного синтеза пока нет необходимости в освоении частности Луны с её гелием-3. Другими словами, существует проблема окупаемости данных (слишком дорогостоящих) проектов;
• не создана искусственная гравитация.

Пока эти задачи не решены, масштабное, серьёзное освоение Космоса не представляется возможным.

Строительство

Такие колонии по замыслу О’Нейла должны собираться постепенно, годами.

Источником сырья может стать Луна. Для этого на ней должна быть создана промышленность (см. Колонизация Луны). С помощью электромагнитной катапульты материалы выстреливались бы в точку Лагранжа системы Земля-Луна, откуда перемещались бы к строящейся колонии. Естественно, для работы в Космосе понадобятся специальные роботы. Возможен также вариант с генетической модификацией человека для приспособления его к условиям жизни в космосе.

См. также

• Колонизация Солнечной системы
• Космические поселения вахтенного типа

Примечания

1. ↑ Первые одномодульные станции появились в космосе в 70-е годы. Первая многомодульная станция («Мир») появилась лишь в сер. 80-х.

Источники

1. ↑ Досье по теме «Фронтир»: Джерард К. О'Нил // Иностранная литература : Журнал. — М.: Изд-во иностранной лит-ры, 1986. — В. 13. — № 2. — С. 217. Тираж — 470 тыс. экз. — ISSN 0130-6545.
2. ↑ Barter, James Introduction // Space Stations  (англ.). — San Diego, Calif.: Lucent Books, 2004. — P. 9. — 112 p. — (The Lucent library of science and technology). — ISBN 1-59018-106-9
3. ↑ Westfahl, Gary The Problems of Space Flying: How Science Fiction Inspired the Space Station // Islands in the Sky: The Space Station Theme in Science Fiction Literature  (англ.). — 2nd edition, rev. and updated. — San Bernardino, Calif.: Wildside Press LLC, 2009. — P. 201. — 266 p. — (I.O. Evans studies in the philosophy & criticism of literature. No 15). — ISBN 1-43440-356-4
4. ↑ Dempewolff, Richard F. (January 1958). «Forecast: A Sky Full Of Satellites  (англ.)». Popular Mechanics (Hearst Magazines) 109 (1): 264. ISSN 0032-4558.
5. ↑ Skylab // Space Flight: The First Thirty Years  (англ.) / Office of Space Flight. — Washington, D.C.: National Aeronautics and Space Administration, 1993. — P. 18. — 36 p. — ISBN 1-56806-289-3
6. ↑ ^{1 2} Zayonchkovskiy, B.; Lavrenov L., Tarasevich V. (1965). «Architecture in Space  (англ.)». The Journal of the astronautical sciences (American Astronautical Society) XII (4): 159,160. ISSN 0021-9142.
7. ↑ Johnson, Richard D. ; Holbrow, Charles H. Choosing Among Alternatives // Space Settlements: A Design Study  (англ.) / Scientific and Technical Information Office, National Aeronautics and Space Administration; American Society for Engineering Education. — Washington, D.C.: U.S. Govt. Print. Office, 1977. — Vol. 413. — P. 39,94. — 185 p. — (NASA SP.).
8. ↑ Galloway, Rodney G. ; Lokaj, Stanley Engineering, construction, and operations in space  (англ.) / Edited by Rodney G. Galloway and Stanley Lokaj. — Albuquerque, New Mexico: American Society of Civil Engineers, 1994. — Vol. I. — P. 249-569. — 1548 p. — (Proceedings of Space 94). — ISBN 0-87262-937-6
9. ↑ Angelo, Joseph A. The Future Of Space Technology: Large Space Settlements // Space Technology  (англ.). — Westport, CT: Greenwood Publishing Group, Inc., 2003. — P. 289. — 394 p. — (Modern Technology Series). — ISBN 1-57356-335-8
10. ↑ Проблемы освоения человеком Солнечной системы (http://www.proza.ru).
11. ↑ ^{1 2} Лавлейс В. Космические исследования начинаются на Земле // Всесоюзное общество «Знание» Наука и жизнь : Журнал. — М.: Изд-во Академии наук СССР, 1964. — № 10. — С. 97-99. — ISSN 0028-1263.