Чтобы создать настоящее космическое поселение, необходимо разработать внутренние системы обеспечения и защиту от радиации и инородных объектов, создать искусственную силу тяжести. На нынешнем уровне развития технологий это будет стоить огромного количества ресурсов.
Давайте рассмотрим, как учёные и фантасты прошлого представляли себе такие поселения, и какие проекты в ближайшем будущем человечество может реализовать.
Кадр из фильма «Интерстеллар»
Фантастика
В 1869 году американский писатель Эдвард Эверетт Хэйл впервые в литературе описал космическое поселение. В истории, публиковавшейся в ежемесячном журнале The Atlantic, он рассказывал об отправленном на околоземную орбиту космическом аппарате в виде кирпичной сферы диаметром в шестьдесят метров. Случайно этот искусственный спутник Земли, созданный для помощи мореплавателям в навигации, отправили в космос вместе с людьми. И эти люди выжили, образовав первую космическую колонию. Произведение называется «Кирпичная Луна».
Спустя пятьдесят лет Константин Циолковский издал книгу «Вне Земли» о космических колонистах. Он первым говорил о необходимости растениеводства в космосе и на других планетах, описывал способ создания искусственной гравитации и говорил, что она решит большинство медицинских проблем космических путешественников.
Циолковский использовал понятие «эфирных поселений». Он считал, что население новых планет будет жить на самих планетах только частью, а вокруг будет образован пояс из машин, аппаратов и строений — движущийся рой в форме кольца. Для строительства поселений он предлагал использовать материал планет и астероидов. Поселения будут состоять из станций-модулей, постепенно связываемых вместе, как ожерелье из бусин. На Земле модули будут строить и тестировать, а затем отправлять на орбиту. «Ракеты были устроены и снаряжены по описанному уже образцу. Тысячи их летели с Земли одна за другой — с гулом, громом, выбрасывая снопы света и вызывая восторг толпы. Сначала были в них отправлены только учёные, техники, инженеры и мастера: народ отменно здоровый, молодой и энергичный, — все строители,» — писал Циолковский.
Подумал Циолковский и про космическое сельское хозяйство. Оранжереи в «Целях звездоплавания» он описывал так: «Вообразим себе длинную коническую поверхность или воронку, основание или широкое отверстие которой прикрыто прозрачной шаровой поверхностью. Она прямо обращена к Солнцу, а воронка вращается вокруг своей длинной оси (высоты). На непрозрачных внутренних стенках конуса — слой влажной почвы с насаженными в ней растениями».
Рукопись К.Э. Циолковского «Альбом космических путешествий», 1933 год. Источник
Австриец Герман Поточник опубликовал в конце 1928 года под псевдонимом Ноордунг книгу «Проблема путешествия в мировое пространство». Поточник подробно описывал орбитальную станцию с искусственной гравитацией, её узлы, оборудование, включая водоочистительную систему, описывал строение скафандра, его термоизоляцию, установку жизнеобеспечения, дыхание и радиосвязь. Стоит сказать, что в 1920-е годы миниатюрный радиопередатчик был фантастикой.
Ниже — иллюстрация из книги Поточника, космическая станция «Wohnrad», название которой на русский в 1935 году перевели как «Колесо для жилья». Модуль в форме тора диаметром 20 метров благодаря вращению имитирует гравитацию. Станция оснащена зеркалом-теплообменником энергетической установки. По мнению Ноордунга, на этой станции можно будет заниматься картографией труднодоступных участков Земли, наблюдать за возможными катастрофами и опасностями. Также станция будет обеспечивать связь.
Для получения энергии станция использует параболическое зеркало, которое концентрирует солнечную энергию и превращает её в электрическую. Это же оборудование используется для связи с Землёй с помощью световых и радио сигналов.
Удивительно, насколько точно Поточник описывал быт будущих космонавтов. Он писал, что им придётся отказаться от умывания, что будет возможно только обтирание влажными губками или полотенцами. Кроме того, он считал, что важные группы мускулов вследствие их продолжительного неиспользования ослабнут и перестанут служить, но «этому можно было бы с успехом противодействовать систематическими упражнениями мускульной системы».
В 1929 году Джон Десмонд Бернал разработал проект станции, в которой люди жили бы в наполненной воздухом сфере диаметром 500 метров. На станции могли жить до тридцати тысяч человек.
Крутящаяся со скоростью 1,9 оборота в минуту сфера обеспечивала бы гравитацию в 1g.
Американский физик Джерард О’Нилл описал колонизацию космоса в книге «Высокий Рубеж» 1975 года. Его станция состояла из двух цилиндров по 8 километров в диаметре и 32 километра длиной, связанных системой подшипников. Вращаясь в противоположные стороны, цилиндры внутри себя создавали искусственную гравитацию — снова с помощью центробежной силы. Эту станцию он назвал «Остров III». Кроме этого проекта он описал «Остров I», вращающуюся сферу полукилометрового диаметра, где люди могли жить в экваториальной области — это была модернизированная версия сферы Бернала. Проект «Остров II» представлял собой сферу 1600 метров в диаметре.
Строительство станции такого размера потребовало бы огромного количества запусков космических кораблей. В 1970-е, с учётом имеющегося опыта космической отрасли, это уже можно было просчитать. Поэтому О’Нилл предлагал использовать материалы, транспортируемые из космоса — в том числе с Луны. Отправлять грузы на место строительства он предлагал с помощью электромагнитной катапульты.
На внутренней поверхности цилиндра можно будет разместить леса, животных и птиц, озёра и реки. Сначала в течение трёх лет нужно будет раскручивать цилиндры, понадобится постоянная мощность в 360 МВт. В цилиндрах можно будет управлять временами года, контролировать температуру климат. Профессор подсчитал, что масса станции составит 500 000 тонн, а строить её будут 2 000 человек.
В фильме «Интерстеллар» представлена крупномасштабная космическая станция, соответствующая идее цилиндра О’Нилла.
Ниже — обложка журнала «Техника — молодёжи» за 1965 год. На этом рисунке мы видим некое подобие разработанного через несколько лет проекта О’Нилла. В книге Артура Кларка «Свидание с Рамой» 1973 года автор описывает космический объект, внутри которого люди находят кислород, воду и все необходимые для обитания человека условия.
Студенты Стэнфордского университета в 1975 году предложили НАСА проект космического поселения в виде тора. Его так и назвали — Стэнфордский тор. В основе этого проекта — идеи Германа Поточника. Центром основания было неподвижное зеркало для отражения солнечного света на вращающееся кольцо из вторичных зеркал, которые обеспечивают светом живущих внутри вращающегося тора людей и оранжереи.
Вращение тора должно обеспечить искусственную гравитацию величиной в 0,9-1g, что позволит избежать медицинских проблем, связанных с микрогравитацией. Учитывая диаметр такого кольца, можно будет не беспокоиться о силе Кориолиса, из-за которой космонавтов будет укачивать при движении по направлению вращения подобного объекта. «Спицы» этого огромного колеса будут использоваться для движения людей и грузов до оси и обратно. «Ступица» будет идеальна для стыковочного узла приёма космических кораблей, так как здесь не будет искусственной гравитации, это неподвижный модуль.
Такая станция согласно проекту студентов должна вмещать десять тысяч человек при диаметре тора 1,8 километра. На станции можно будет разместить фермы и лесопарковые зоны, то есть создать искусственную экосистему, подходящую для долговременного обитания людей.
В художественных и анимационных фильмах можно встретить множество примеров космических станций, в которых воссоздана гравитация с помощью центробежной силы. В серии романов Артура Кларка «Космическая Одиссея» описывался «Discovery One», внутри сферы которого находится «карусель» диаметром 11 метров, вращающаяся о скоростью около пяти оборотов в минуту. В аниме-сериале Planetes космическая станция ISPV-7 имеет огромные помещения с привычной земной гравитацией. Жилая зона и зона для растениеводства размещены в двух торах, вращающихся в разных направлениях. В фильме «Марсианин» корабль «Гермес» имеет в центре вращающийся тор.
Но стоимость таких решений на данный момент остаётся космической. Энтузиасты просчитали, сколько будет стоить отправка в космос компонентов для корабля «Элизиум» из одноимённого фильма. Чтобы вывести на орбиту миллион тонна груза, нужно сделать 18 382 запуска SpaceX Falcon, что обойдётся в 1 триллион 650 миллиардов долларов США — это сто годовых бюджетов НАСА.
Реальность
Впервые космонавтов отправили для длительного пребывания в космосе в 1971 году на долговременную орбитальную станцию «Салют». Станция находилась на орбите 176 суток, после чего 11 октября 1971 года по команде ЦУПа сошла с орбиты и была затоплена в Тихом океане.
Космонавты на орбитальной станции «Салют-1» жили и работали в основном в рабочем отсеке, представляющем собой цилиндр диаметром 2,9 метра и длиной 3,5 метров, соединённый с цилиндром диаметром 4,15 метра и длиной 2,7 метра. Внутри этих цилиндров была установлена рама, образующая внутренним сечением квадрат. Рама была закрыта панелями, раскрашенными в разные цвета, чтобы космонавты распознавали условные пол, стены и потолок.
В цилиндре малого диаметра разместили пост управления, зону отдыха, места для хранения и приёма пищи и спальные места. В цилиндре большого диаметра было научное оборудование, тренажёры для занятий спортом, душ. В отдельном отсеке был космический туалет.
Станция была предназначена для пребывания трёх космонавтов. К сожалению, работа станции была сопряжена с трагедией: из 176 суток дней только 23 дня на ней были люди, и они погибли при спуске на корабле «Союз-11». Оставшуюся часть времени станция работала в беспилотном режиме.
Станция продемонстрировала узкие места проекта, которые в дальнейшем исправили в последующих «Салютах». Вторая ДОС в 1973 году не эксплуатировалась в пилотируемом режиме, но на станциях от «Салют-3» до «Салют-7» до 1991 года работали советские и иностранные космонавты, при этом последняя станция находилась на орбите 3216 дней, из которых 816 дней — с космонавтами на борту. Эта серия станций послужила основой для орбитального комплекса «Мир» и для российского сегмента Международной космической станции.
Орбитальный комплекс ”Мир” работал уже не около девяти, а пятнадцать лет. При этом изначально запланированное время службы составляло пять лет. На станции побывали сто четыре космонавта из двенадцати стран.
Хотя орбитальные станции нельзя назвать космическими колониями, они необходимы для разработки будущих поселений, в том числе — для создания и доработки систем жизнеобеспечения. Станции позволяют учёным выявлять лучшие практики космической архитектуры. Один из важнейших приёмов — модульность станций.
На корпусе станции «Салют-1» красовалось название «Заря». Станцию назвали по-другому, узнав, что название занято китайским спутником
Сейчас вокруг Земли движется Международная космическая станция. Для неё разрабатывали надувной модуль с искусственной гравитацией, но так и не реализовали его на практике. Одна из причин этого — подобный модуль лишил бы МКС смысла, потому что станция является микрогравитационной лабораторией. Модуль при его воплощении стал бы демонстрационным прототипом корабля Nautilus-X.
Nautilus-X представили в 2011 году в качестве аппарата для длительного пребывания команды из шести человек в экзосфере. Разработчики предполагали, что строительство корабля обойдётся в 3,7 миллиардов долларов и займёт 64 месяца.
Концепт надувного модуля с микрогравитацией для МКС.
Концепт Nautilus-X
Сегодня разработка космических жилищ уже вошла в программы некоторых вузов. Международный центр космической архитектуры Сасакава на базе Хьюстонского университета предлагает магистерскую программу по специальности «Космическая архитектура». Международный космический университет в Европе исследует архитектуру космических аппаратов. На базе Американского института аэронавтики и астронавтики работает Технический комитет по вопросам космической архитектуры.
В ближайшей перспективе нас ждут космические поселения, далёкие от показанных в научно-фантастических фильмах. На Международной космической станции может появиться коммерческий модуль. Возможно, он будет надувным, и использовать его будут для научных исследований и космического туризма. Речи о создании искусственной гравитации не идёт, это будет просто ещё один модуль, отличающийся от существующих только предназначением и надувательством.
Один надувной модуль на МКС уже развёрнут, его разработала компания Bigelow Aerospace. Такой модуль в девять раз легче обычного алюминиевого модуля. Вывести на орбиту его проще, чем стандартный, который выводится в космос по частям. Сейчас тестируется способность модуля BEAM выдержать условия открытого космоса и поддерживать комфортную для человека среду внутри.
Роберт Бигелоу, основатель Bigelow Aerospace, сколотил состояние на гостиничном бизнесе и начал грезить орбитальным отелем. 12 июля 2006 года компания запустила модуль Genesis I, который успешно увеличился вдвое на орбите высотой 500 км. Ещё через год вслед за ним отправили Genesis II с 22 видеокамерами и различными предметами по программе «Fly your stuff», в рамках которой любой человек мог поместить на борт модуля небольшой предмет за 295 долларов США. И уже после этого, в 2016 году, надувной модуль развернули на МКС. 6 июня 2016 года в модуль вошли российский космонавт Олег Скрипочка и американский астронавт Джеффри Уильямс и разместили в нём аппаратуру для замера параметров. Лишь на несколько часов в год люди будут заходить в надувной модуль, всё остальное время за его состоянием будет следить аппаратура.
В 2016 году российская компания «Орбитальные технологии» планировала начать эксплуатацию космического отеля — Коммерческой космической станции, на которой будет запрещён алкоголь. Судя по отсутствию новостей на эту тему за последние пару лет, пока программа остаётся в проекте.
Похожая судьба и у американской Excalibur Almaz. В 2012 году частная компания провела презентацию перед Британским Королевским обществом аэронавтики и объявила, что уже в 2015 году начнет туристические космические полеты с облётом вокруг Луны. В планах было предложить клиентам недельный полёт на станции, собранной из списанных советских модулей. Пока не получилось.
Наиболее приближенный к фантастике проект предлагает американская компания, возглавляемая Майком Саффредини — бывшим сотрудником НАСА, отвечавшим за работу астронавтов на Международной космической станции. Фирма Stinger Ghaffarian Technologies планирует установить коммерческий модуль на МКС. Этот модуль станет основой для новой космической станции в будущем. Для реализации проекта в январе 2016 года зарегистрировали компанию Axiom Space LLC. Модуль планируют запустить в 2020-2021 году. Но самое интересное, что новая космическая станция к 2040-2050 годам будет представлять собой тор. Вот только пока неясно, будет ли он обеспечивать искусственную гравитацию, и насколько проект изменится к тому времени.
