O’Neill cylinder — это концепция космической колонии, предложенная физиком Жераром К. О’Ниллом в 1970-х годах. Она представляет собой два вращающихся навстречу друг другу цилиндра длиной около 32 км и шириной 8 км. Вращаясь примерно 28 раз в час, цилиндры используют центробежную силу, чтобы создать искусственную гравитацию, подобную земной, для людей, живущих на их внутренней поверхности. Многие считают, что Земне скоро может угрожать опасность, и причиной тому является неудержимое распространение человечества. Благодаря стремительному технологическому прогрессу последних столетий мы быстро истощаем ресурсы планеты Земля, чтобы обеспечить наши промышленные потребности и глобальную торговлю. Многие футурологи полагают, что у нас не останется выбора, кроме как исследовать и колонизировать космос, если мы хотим выжить в будущем, когда ресурсы Земли больше не смогут удовлетворить наши потребности. Перенаселение — это надвигающаяся проблема, которая делает необходимость космических путешествий и колонизации еще более актуальной. Тем не менее, создание космической среды обитания — задача не из легких, сопряженная с серьезными проблемами, такими как необходимость создания строительных мощностей в космосе, воссоздание пригодных для жизни сообществ в космосе, переработка и переработка отходов, моделирование искусственной гравитации и, что самое главное, убеждение правительств и международных организаций в том, что это предприятие стоит того. Перспектива космической колонизации открывает путь к разработке методов добычи энергии из ресурсов других планет. На Земле использование солнечных панелей для получения энергии от Солнца не особенно эффективно и сталкивается с неизбежными препятствиями, вызванными атмосферой и ежедневным наступлением темноты (например, ночью). Однако в космосе солнечные установки могут постоянно получать энергию от Солнца без перерыва. Использование этого огромного количества энергии позволит нам путешествовать по всей Солнечной системе, не беспокоясь о расходе энергии. Кроме того, химические ресурсы в нашей Солнечной системе будут в изобилии. Например, NASA недавно приступило к проекту по производству топлива, воды и кислорода из ресурсов, присутствующих на Луне. Учитывая эти основания для того, чтобы организации занялись разработкой космической среды обитания, позвольте мне представить цилиндр О’Нилла — проект космической колонии, состоящий из двух встречно вращающихся цилиндров, предложенный известным физиком Жераром К. О’Ниллом в 1970-х годах.
Происхождение идеи цилиндра О’Нилла
Преподавая физику своим студентам в Принстонском университете, О’Нилл поручил им разработать мегаструктуру в космосе, чтобы продемонстрировать, что жизнь и выживание в космосе действительно возможны. Его студенты предложили множество проектов для размещения людей в космосе. После долгой сессии мозгового штурма О’Нилл свел их теории к идее цилиндрической космической колонии. Он изложил эту концепцию в статье Physics Today за 1974 год под названием «Колонизация космоса», а затем подробно разработал ее в своей книге 1976 года «Высокий рубеж: человеческие колонии в космосе». Самая большая из предложенных им сред обитания, которую сейчас чаще всего представляют, была обозначена как «Остров Три» — это та конструкция, которую мы теперь называем цилиндром О’Нилла (или колонией О’Нилла).
Конструкция цилиндра О’Нилла
Конструкция цилиндра О’Нилла состоит из двух цилиндров, вращающихся в противоположных направлениях на опоре, чтобы уменьшить гироскопический эффект. Каждый цилиндр, как предполагалось, должен быть длиной около 32 км и диаметром 8 км, с шестью широкими полосами, проходящими вдоль его длины (три пригодные для жизни поверхности и три окна). О’Нилл предполагал, что промышленные процессы и развлекательные учреждения будут расположены на центральной оси в среде с практически нулевой гравитацией.
Моделирование гравитации
Одно из ключевых отличий между жизнью на Земле и жизнью в космосе (или на любом другом астрономическом теле) — это разница в гравитации. Искусственная гравитация необходима для стабильности, и цилиндр О’Нилла обеспечивает именно это. Поскольку два гигантских цилиндра вращаются вокруг своей оси, все, что находится на их внутренней поверхности, выталкивается наружу, и этот центробежный эффект ощущается как гравитация. Мы можем определить скорость вращения из уравнения ускорения a=v²/r. Подставляя ускорение земной гравитации (9,81 м/с² или 32,2 фута/с²) и радиус около 4 км (половина диаметра в 5 миль), цилиндр должен вращаться примерно 28 раз в час, достаточно медленно, чтобы жители не чувствовали головокружения, чтобы воспроизвести комфортное 1g.
Моделирование земной среды
Поддержание атмосферы, состав которой аналогичен земной, — следующая задача при строительстве космической среды обитания. Цилиндр О’Нилла разумно спроектирован с соотношением газов, аналогичным земному. Однако есть одна оговорка: общее давление составляет всего около половины уровня моря (при этом содержание кислорода близко к его доле в обычном воздухе, дополненное азотом). Это существенно не повлияет на наше дыхание, но эта небольшая жертва дает два преимущества: уменьшается количество газа, необходимого для заполнения среды обитания, и снижается толщина и вес стенок цилиндра. Предлагаемый цилиндр О’Нилла также предусматривает возможность управления собственным микроклиматом с помощью системы зеркал и изменения соотношения газов в цилиндре.
Моделирование дня и ночи
Поскольку среда обитания людей находится в вакууме (в космосе), цилиндр по сути превращается в огромный термос! Теоретический цилиндр О’Нилла попытался решить эту проблему с помощью серии зеркал, прикрепленных к каждому из трех окон. Таким образом, прямой солнечный свет можно направлять в цилиндр, чтобы имитировать дневное время. Аналогично, поворачивая зеркало, можно создать ночную атмосферу. Эта имитированная «ночь» также позволит теплу, производимому биологическими процессами, излучаться из цилиндра.
Что такое «Остров Один», «Остров Два» и «Остров Три»?
О’Нилл не нарисовал единый чертеж. Он представил серию сред обитания с разной степенью амбициозности, пронумеровав их соответственно. «Остров Один» — это скромный первый шаг: медленно вращающаяся сфера, известная как сфера Бернала, достаточно просторная для размещения около 10 000 жителей вокруг ее экватора. «Остров Два» — это более крупная сфера, промежуточный этап. «Остров Три» — это гигант, который чаще всего представляют, пара встречно вращающихся цилиндров, которые мы здесь описываем. Примерно в то же время летнее исследование NASA в 1975 году разработало параллельный дизайн в форме колеса, «Стэнфордский тор», рассчитанный на аналогичное количество людей — около 10 000. Смысл начинать с малого заключался в практичности. Сферу Бернала или «Стэнфордский тор» можно было бы построить в первую очередь, доказать, что люди могут жить и работать в условиях вращающейся гравитации, и окупить затраты, прежде чем кто-либо попытается построить сооружение длиной 32 км. В этом смысле цилиндр О’Нилла всегда предназначался для достижения цели, а не для первого шага, альтернативы гораздо более сложной задаче терраформирования Марса.
Насколько большим может быть космический цилиндр?
Цилиндр МакКендри
Размер вращающейся среды обитания ограничивается не столько воображением, сколько прочностью материала, из которого сделаны ее стенки. Цилиндр, вращающийся достаточно быстро, чтобы имитировать гравитацию, постоянно пытается разлететься на части, как перекрученный маховик, и только напряжение в его корпусе удерживает его вместе. Постройте этот корпус из более прочного материала, и вы сможете построить больший барабан, прежде чем он разрушится. О’Нилл рассчитал размеры своих цилиндров, исходя из стали и алюминия, доступных в 1970-х годах. В 1996 году инженер Томас МакКендри изучил, что могут позволить более прочные материалы будущего в журнале Nanotechnology, а в 2000 году представил увеличенную версию на конференции NASA Turning Goals Into Reality. Этот проект, теперь известный как цилиндр МакКендри, представляет стены из углеродных нанотрубок или алмазоподобного углерода, которые намного прочнее стали. Теоретически это увеличивает радиус от нескольких километров О’Нилла до сотен километров, а длину — до нескольких тысяч, что обеспечивает внутреннюю поверхность, сопоставимую с площадью большой страны. Это остается интересным мысленным экспериментом, а не планом, поскольку мы еще не можем производить безупречные углеродные нанотрубки в таких масштабах. Дешевая доставка сырья также будет зависеть от таких идей, как космический лифт.
Почему вращающаяся гравитация имеет свои недостатки?
Эффект Кориолиса
Вращение для имитации гравитации работает, но это не идеальная копия стояния на Земле, и с этими различиями стоит ознакомиться. Первое — это градиент гравитации. Поскольку сила возникает при вращении, а сила увеличивается с расстоянием от оси вращения, ваши ноги на внешнем крае ощущают немного больше гравитации, чем ваша голова, которая находится ближе к центру. Эффект невелик, и чем больше цилиндр, тем он меньше, что является еще одной причиной для строительства больших конструкций. Второе — это эффект Кориолиса, тот же боковой толчок, который направляет ураганы на вращающейся Земле. Внутри вращающейся среды обитания он толкает все, что движется, поэтому восхождение по лестнице, бросание мяча или просто поворот головы могут ощущаться немного странно и, при высокой скорости вращения, могут вызвать головокружение и тошноту. Обзор NASA по поводу искусственной гравитации отмечает, что решением является медленное вращение в сочетании с большим радиусом, что снижает скорость вращения до нескольких оборотов в минуту, чтобы жители едва заметили какой-либо эффект. Именно поэтому цилиндр О’Нилла такой огромный. При радиусе около 4 км он должен вращаться примерно 28 раз в час, что медленнее одного оборота в минуту, достаточно медленно, чтобы жители едва заметили какой-либо эффект.
Несмотря на то, что конструкция цилиндра О’Нилла технически обоснована, идея все еще слишком сложна для реализации с нашими нынешними технологиями и потребует дешевых, частых запусков и крупномасштабной добычи материалов в космосе. До сих пор ее реализация ограничивается областью научной фантастики. Однако у этой концепции есть видный современный сторонник: Джефф Безос, основатель Blue Origin, который учился в Принстоне, когда там преподавал О’Нилл, заявил, что он видит будущее гигантских колоний О’Нилла, в которых будут жить триллионы людей. Между видением Безоса и более широким продвижением со стороны таких компаний, как SpaceX, возможно, однажды цилиндры О’Нилла действительно помогут человечеству поселиться в огромных просторах космоса!